En persons avloppsvatten är en annans skatt. En ny studie från Stanford University banar väg för att bryta avloppsvatten för värdefulla material som används i gödningsmedel och batterier som en dag skulle kunna driva smartphones och flygplan. Analysen publicerades nyligen i ACS ES&T Engineering , avslöjar hur man optimerar elektriska processer för att omvandla svavelföroreningar, och kan hjälpa till att leda till prisvärd, förnybar energidriven avloppsrening som skapar drickbart vatten.

"Vi letar alltid efter sätt att sluta kretsen om kemiska tillverkningsprocesser", säger seniorförfattaren Will Tarpeh, biträdande professor i kemiteknik vid Stanford. "Svavel är ett nyckelkretslopp med utrymme för förbättringar för att effektivt omvandla svavelföroreningar till produkter som gödningsmedel och batterikomponenter."

En bättre lösning

När färskvattenförsörjningen minskar, särskilt i torra områden, har fokus intensifierats på att utveckla tekniker som omvandlar avloppsvatten till dricksvatten. Membranprocesser som använder anaeroba eller syrefria miljöer för att filtrera avloppsvatten är särskilt lovande eftersom de kräver relativt lite energi. Men dessa processer producerar sulfid, en förening som kan vara giftig, frätande och illaluktande. Strategier för att hantera det problemet, såsom kemisk oxidation eller användning av vissa kemikalier för att omvandla svavlet till separerbara fasta ämnen, kan generera biprodukter och driva kemiska reaktioner som korroderar rör och gör det svårare att desinficera vattnet.

En lockande lösning för att hantera anaerob filtrerings sulfidproduktion ligger i att omvandla sulfiden till kemikalier som används i gödningsmedel och katodmaterial för litium-svavelbatterier, men mekanismerna för att göra det är fortfarande inte väl förstått. Så Tarpeh och hans kollegor satsade på att belysa ett kostnadseffektivt tillvägagångssätt som inte skulle skapa några kemiska biprodukter.

Forskarna fokuserade på elektrokemisk svaveloxidation, som kräver låg energitillförsel och möjliggör finjusterad kontroll av slutliga svavelprodukter. Medan vissa produkter, såsom elementärt svavel, kan avsättas på elektroder och bromsa kemiska reaktioner, kan andra som sulfat lätt fångas upp och återanvändas. Om det fungerade effektivt skulle processen kunna drivas av förnybar energi och anpassas för att behandla avloppsvatten från enskilda byggnader eller hela städer.

Genom att använda sig av skanningselektrokemisk mikroskopi - en teknik som underlättar mikroskopiska ögonblicksbilder av elektrodytor medan reaktorer är i drift - kvantifierade forskarna hastigheten för varje steg av elektrokemisk svaveloxidation tillsammans med de typer och mängder av produkter som bildades. De identifierade de viktigaste kemiska barriärerna för svavelåtervinning, inklusive elektrodnedsmutsning och vilka mellanprodukter som är svårast att omvandla. De fann bland annat att varierande driftsparametrar, såsom reaktorspänningen, kunde underlätta lågenergiutvinning av svavel från avloppsvatten.

Dessa och andra insikter klargjorde kompromisserna mellan energieffektivitet, sulfidavlägsnande, sulfatproduktion och tid. Med dem skisserade forskarna ett ramverk för att informera utformningen av framtida elektrokemiska sulfidoxidationsprocesser som balanserar energitillförsel, avlägsnande av föroreningar och resursåtervinning. Med blicken mot framtiden kan svavelåtervinningstekniken också kombineras med andra tekniker, såsom återvinning av kväve från avloppsvatten för att producera ammoniumsulfatgödsel. Codiga Resource Recovery Center, ett reningsverk i pilotskala på Stanfords campus, kommer sannolikt att spela en stor roll för att påskynda framtida design och implementering av dessa tillvägagångssätt.

"Förhoppningsvis kommer den här studien att hjälpa till att påskynda införandet av teknik som mildrar föroreningar, återvinner värdefulla resurser och skapar dricksvatten på samma gång", säger studiens huvudförfattare Xiaohan Shao, en Ph.D. student i civil- och miljöteknik vid Stanford.

Tarpeh är också biträdande professor (med tillstånd) i civil- och miljöteknik, en centerstipendiat (med tillstånd) vid Stanford Woods Institute for the Environment, en ansluten forskare med Stanfords program för vatten, hälsa och utveckling och medlem i Stanford Bio-X. Ytterligare författare Sydney Johnson var en student i kemiteknik vid Stanford vid tidpunkten för forskningen.