Vattenfiltrering är avgörande för att upprätthålla folkhälsan. Förmågan att se hur långlivade föroreningar som skadliga bakterier, mikroföroreningar, och mikroplaster beter sig i atomär skala kan göra det möjligt för ingenjörer att göra förbättrade filter för effektivare vattenbehandlingsmetoder.

European Spallation Source (ESS), under uppbyggnad i Lund, Sverige, är inställd på att öppna för användare 2023. Som förberedelse, ESS-forskaren Monika Hartl och hennes medarbetare vid Svensk Vattenforskning använder neutroner vid Energidepartementets (DOE:s) Oak Ridge National Laboratory (ORNL) för att studera hur bisfenol A (BPA), en kemikalie som används i plast, interagerar med vattenfilter.

BPA är en nyckelkomponent i en tydlig, tuff, sprängsäker plast som kallas polykarbonat som används flitigt i säkerhetsprodukter och konsumentvaror. När polykarbonat sönderfaller i vatten, BPA kan släppas ut i miljön, där studier har visat att BPA-konsumtion, ofta ett resultat av vattenförorening, kan påverka anläggningen negativt, djur, och till och med människors hälsa. Att filtrera bort denna förorening ur vattenförsörjningen kan minska dess negativa effekter på miljön samtidigt som alla negativa effekter på människors hälsa minimeras eller elimineras.

Industriella sand- och lerfilter används ofta tidigt i vattenfiltreringsprocessen innan mer avancerade reningsmetoder som klorbehandling tillämpas. Sanden som används för filtrering har mikroporösa strukturer som kan absorbera föroreningar från vattnet, och leror har skiktade strukturer med liknande egenskaper.

Med hjälp av VISION-instrumentet, strållinje 16B vid ORNL:s Spallation Neutron Source (SNS), Hartl och hennes medarbetare från den svenska vattenindustrin kan använda neutronspridning för att se hur BPA påverkar filtermaterialens ytor och därmed deras effektivitet i att adsorbera molekyler på atomnivå.

"Vi tittar på hur man tar bort plastnedbrytningsprodukter från vattnet genom att använda sand- och lerfilter. vi försöker ta reda på hur BPA interagerar med lerstrukturer och sandstrukturer, sa Hartl.

Neutroner är oförstörande och kan penetrera material som sand och lera djupt, till skillnad från liknande forskningsmetoder. Deras känslighet för väte gör dem idealiska för studier som involverar vatten, speciellt för att studera vatten i strukturer som är ogenomskinliga och svåra att penetrera.

"Med neutroner, du kan enkelt penetrera filtret och du kan se BPA inuti materialet, sa Hartl.

"Det finns ett fantastiskt team på VISION, och de har ett välutrustat användarlabb där jag kan förbereda ett brett urval av prover med många alternativ för att bekräfta kvaliteten på mina prover innan jag lägger dem i strållinjen. Om jag behöver ändra något under experimentet, Jag kan kontrollera mitt material i användarlabbet istället för att slösa bort stråltid, sade Hartl, som för närvarande planerar liknande användarlaboratorier för ESS.

"Kemilaboratorier är mycket viktiga för neutronspridning. Förmågan att förbereda prover och att karakterisera dem vid neutronkällor har blivit avgörande, speciellt för vattenforskning."

Med hjälp av data från detta experiment, Hartl kan identifiera hur filtermaterialen adsorberar BPA, samt vilka strukturer och material som presterar bättre än andra, för att utveckla förbättrade vattenfilter som håller längre och presterar bättre.

"Om vi ​​tar reda på hur vatten och bisfenol interagerar med filtren, vi kan sedan lära oss hur man modifierar filtret för att bättre ta bort bisfenolen, vilket skulle vara till stor hjälp för vattenväxter, sa Hartl.

Detta arbete stöds som ett "industriellt pilotprojekt för neutron- och fotonexperiment vid storskaliga forskningsinfrastrukturer" av den svenska finansieringsmyndigheten Vinnova (projektnummer 2018-03264). Partnerna i detta projekt är Dr Alfredo Gonzalez-Perez, forskargruppsledare och projektkoordinator från Svensk Vattenforskning AB; Prof. Kenneth Persson, forskningschef Sydvatten AB; och Monika Hartl.