Badanie właściwości magnetytu w zakresie oczyszczania wody
W 2010 r. Organizacja Narodów Zjednoczonych uznała dostęp do czystej wody za prawo człowieka, jako szósty cel zrównoważonego rozwoju określiła „zapewnienie wszystkim dostępu do wody i urządzeń sanitarnych”. Wyniki badań przeprowadzonych w projekcie REPONANO, dotyczące oczyszczania wody przyczyniają się do realizacji tych celów. Zespół odpowiedzialny za projekt REPONANO przetestował nowy sposób oczyszczania wody z zanieczyszczeń przy użyciu minerału gromady tlenków tlenków żelaza – magnetytu. „Założeniem projektu REPONANO, oprócz ogólnego usprawnienia procesów oczyszczania wody przy użyciu magnetytu, było jego zminiaturyzowanie. W związku z tym opracowaliśmy zestaw mikroprzepływowy, wykorzystujący nowe osiągnięcia w dziedzinie spektroskopii do wizualizacji sposobu, w jaki agregaty polimerowo-nanomagnetyczne usuwają zanieczyszczenia”, mówi badaczka Evgenia-Maria Papaslioti z projektu finansowanego w ramach działań „Maria Skłodowska-Curie”. Magnetyt pozwala odkażać wodę pitną i ścieki na trzy sposoby: po pierwsze, poprzez zmianę składu wody, gdyż powoduje on, że toksyczne cząsteczki rozpraszają się przed opadnięciem na dno zbiornika, skąd można je usunąć. Drugie rozwiązanie polega na wykorzystaniu nanocząsteczek magnetytu w mikrofiltrach uniemożliwiających przedostawanie się zanieczyszczeń. Wreszcie, właściwości wiązania tlenu przez magnetyt umożliwiają tworzenie tak zwanych agregatów (wodorotlenku) żelaza, które wiążą się z cząsteczkami zanieczyszczeń, usuwając je z wody. Metoda ta była zwykle badana w dużych systemach przepływowych i wytwórstwa partiami, które wykazały duży potencjał w usuwaniu toksycznych metali ciężkich, takich jak selen, ołów i arsen.
Testowanie na dużą skalę
Zespół REPONANO przeprowadził zakrojone na szeroką skalę eksperymenty w celu przetestowania skuteczności magnetytu pod względem unieruchamiania toksycznych pierwiastków, takich jak arsen, antymon i uran, w ściekach o wysokiej kwasowości i bogatych w fosforany. Aby zwiększyć ekologiczność procesów, użyty magnetyt pochodził z recyklingu z przemysłu stalowego, dzięki technologii opatentowanej przez HYMAG'IN. "Przy pomocy naszej nowatorskiej, trzyetapowej techniki po raz pierwszy wykazaliśmy, że możliwe jest wykorzystanie zerowartościowego żelaza do obniżenia kwasowości. Następnie usunęliśmy fosforan, wykorzystując go do uzyskania minerału nazywanego wiwianitem, aby następnie dodać do procesu magnetyt w celu unieruchomienia zanieczyszczeń”, dodaje Papaslioti.
Testowanie mikroprzepływowe
Ponieważ dynamikę płynów najlepiej jest badać w mikroskali, zespół współpracował z Instytutem Fizyki w Rennes w celu opracowania mikroprzepływowego urządzenia polimerowego do badania odkażania wody przez maleńkie cząsteczki magnetytu (nanomagnetytu). Zespół chciał zbadać, czy powłoki polimerowe, uznawane za skuteczne środki odkażające, mogą zwiększyć zdolność nanomagnetytu do odkażania. W tym celu stworzył cylindryczne agregaty wykonane z hydrożelu (glikolu polietylenowego) zmieszanego z nanocząstkami magnetytu pokrytymi chitozanem. „Nanomagnetyt jest już stosowany jako materiał filtracyjny w niektórych oczyszczalniach ścieków. Jednak ze względu na niewielkie rozmiary łatwo przedostaje się przez filtry lub zatyka je”, wyjaśnia Laurent Charlet, koordynator projektu. „Po zwiększeniu ich rozmiaru i zmianie kształtu nasze materiały hybrydowe mogłyby temu zapobiec, jednocześnie ułatwiając odfiltrowanie zanieczyszczeń”. Do przetestowania skuteczności tych polimerowo-nanomagnetytowych agregatów w zakresie unieruchamiania antymonu wykorzystano eksperymenty przepływowe. Aby określić rozkład i ilość antymonu zaadsorbowanego na agregatach, a także ustalić jego stopeń utlenienia, (który wpływa na immobilizację i usuwanie antymonu z wody), po raz pierwszy w takich systemach zastosowano absorpcję rentgenowską i mikrofluorescencję rentgenowską. Następnie opracowano komputerowy model 3D w celu przeprowadzenia symulacji i sprawdzenia, w jaki sposób antymon był rozpraszany i rozprowadzany podczas tych eksperymentów. Wskazanie konkretnych stref, w których antymon reaguje z nanomagnetytem, pozwala uzyskać wgląd w optymalny kształt i skład agregatów. „Daje to nadzieję na opracowanie nie tylko skuteczniejszych sposobów obserwacji systemów naturalnych, ale także nowych metod uzdatniania wody opartych na mikroskopijnych urządzeniach, w tym mikroprzepływowych”, mówi Papaslioti. Zespół zamierza przeprowadzić więcej eksperymentów sorpcyjnych z szerszym zakresem zanieczyszczeń i warunków, przy różnych stężeniach zanieczyszczeń/nanomagnetytu, pH, szybkości przepływu oraz eksperymentowaniu ze składem i kształtem agregatu.
Słowa kluczowe
REPONANO, agregat, magnetyt, woda, remediacja, zanieczyszczenie, nawóz, mikroprzepływowe, mikrofiltry, antymon, sorb
