Nanodeeltjesgebaseerde sanering van chroomverontreinigd water toont hoge efficiëntie

Grondwater is een essentiële bron van drinkwater in het hele land. Zware metalenverontreiniging in grondwater vormt echter een aanzienlijk gezondheidsrisico. Onderzoekers van het Indian Institute of Science (IISc) hebben een oplossing op basis van nanomaterialen ontwikkeld die de aanwezigheid van zware metalen zoals chroom in grondwater effectief kan verminderen.

Het team bestaat uit onderzoekers van het Center for Sustainable Technologies (CST), Department of Civil Engineering (CiE) en Department of Instrumentation and Applied Physics (IAP). De studie is gepubliceerd in de Tijdschrift voor waterprocestechniek.

Chroom komt doorgaans in de bodem en het grondwater terecht via afvalwater van industrieën zoals leerlooierijen, galvaniseren en textielproductie. “Zware metalen komen in het milieu terecht door verstedelijking en bepaald wanbeheer door industrieën”, zegt Prathima Basavaraju, Ph.D.-student aan CST en hoofdauteur van de studie.

De meeste huidige methoden voor het verwijderen van zware metalen verontreiniging zijn gebaseerd op het wegpompen van water uit de grond, gevolgd door zuivering met behulp van chemische neerslag, adsorptie, ionenuitwisseling en omgekeerde osmose uitgevoerd op een andere locatie. Het IISc-team stelt in plaats daarvan een alternatief op locatie voor waarbij ijzernanodeeltjes worden gebruikt die de zware metalen kunnen saneren.

“Als het grondwater verontreinigd is, kunnen we deze nanodeeltjes in het grondwateroppervlak injecteren. Daar reageren ze met het chroom en immobiliseren het, wat resulteert in helder water”, legt Prathima uit.

De groep probeerde eerst nanodeeltjes te synthetiseren die bestaan ​​uit nano-nul-valent ijzer (nZVI). Deze vorm van ijzer kan reageren met de giftige en kankerverwekkende vorm van chroom (Cr⁶⁺) en het terugbrengen tot een minder schadelijke vorm (Cr³⁺), wat op zijn beurt resulteert in co-precipitatie. Het team realiseerde zich echter al snel dat de nZVI-deeltjes de neiging hebben om samen te klonteren, wat hun toepassing beperkt.

Om klontering te voorkomen, wendde het team zich tot carboxymethylcellulose (CMC). “We hebben nZVI gemodificeerd door het te coaten met CMC. Het vormt een stabiliserende laag rond nZVI en scheidt individuele deeltjes,” legt Prathima uit. De CMC-coating verlengde bovendien de levensduur van het materiaal door oxidatie van de ijzerkern te voorkomen.

Het team verhoogde ook de reactiviteit van de CMC-nZVI door deze bloot te stellen aan zwavelhoudende verbindingen in anoxische omstandigheden. Dit maakte de vorming van een beschermende ijzersulfidelaag op het oppervlak mogelijk, een proces dat sulfidatie wordt genoemd. Deze aanpassingen verbeterden de stabiliteit van de S-CMC-nZVI en behielden de reactiviteit en efficiëntie ervan.

S-CMC-nZVI toonde een efficiëntie van bijna 99% bij Cr⁶⁺ verwijdering onder verschillende omstandigheden, zoals verschillende pH-niveaus en de aanwezigheid van andere concurrerende ionen die mogelijk in grondwater worden aangetroffen. Het team testte dit verbeterde nanomateriaal in omstandigheden die de natuurlijke omgeving van grondwateraquifers nabootsen.

Toen ze verontreinigd water door zandkolommen pompten die het nanomateriaal bevatten, zagen ze een robuuste saneringsactiviteit. Er werden ook experimenten uitgevoerd op verontreinigde grond en sedimenten met behulp van nZVI om de zware metalen te immobiliseren. Experimenten voor het opschalen zijn nog steeds gaande.

De auteurs suggereren dat S-CMC-nZVI een veelbelovend materiaal is voor de on-site sanering van chroomverontreinigd grondwater. “Plaatsen zoals het Bellandur-meer [in Bengaluru] “Er zijn veel vervuilde sedimenten”, benadrukt GL Sivakumar Babu, hoogleraar aan het CiE en CST en medeauteur.

“De ontwikkelde techniek kan ook zeer nuttig blijken bij het verwijderen van verontreinigingen zoals cadmium, nikkel en chroom uit verontreinigde sedimenten van het Bellandur-meer.”