(PhysOrg.com) -- Ingenjörer använder avancerade bildtekniker för att undersöka bimetalliska material som har sanerat mer än 50 platser med giftigt avfall.
Järnnanopartiklar 1, 000 gånger tunnare än ett människohår har visat en oöverträffad förmåga att rena förorenat grundvatten sedan de uppfanns för 10 år sedan i Lehigh.
De palladiumbelagda partiklarna har sanerat mer än 50 platser för giftigt avfall i USA och andra länder på en tiondel av tiden, och med en mycket större stordriftsekonomi, än traditionella "pump and treat"-metoder.
Nu, tack vare Lehighs oöverträffade elektronmikroskopi och spektroskopi, forskare har fått oöverträffade insikter som kan förbättra effektiviteten och utöka tillämpningarna av de kraftfulla nanopartiklarna.
Forskarna använde scanning transmission elektronmikroskopi (STEM) och röntgenenergi dispersiv spektroskopi (XEDS) för att fånga, för första gången, utvecklingen av bimetallpartiklarnas nanostruktur när de tar bort föroreningar i vatten.
De avancerade bildinstrumenten på Lehigh fångade fantastiska detaljer om reaktionerna inom nanopartiklar. När de reagerar med föroreningar som trikloreten (TCE), ett giftigt industriellt lösningsmedel, nanopartiklarna visar enorma strukturella förändringar. Partikelkärnan urholkas, järnet diffunderar utåt, och palladium, en katalysator som utgör 1 procent av partikelmassan, migrerar från den yttre ytan till den inre ytan av järnet.
Skriver tidigare denna månad Miljövetenskap och teknik ( ES&T ), den främsta tidskriften inom sitt område, Lehigh-forskarna rapporterade att nanopartiklarnas förmåga att ta bort gifter minskar när partiklarna "åldras" och genomgår strukturella förändringar vid exponering för vatten.
Deras resultat, de skrev, tyder på att nanopartiklarnas ålder och lagringsmiljö spelar en avgörande roll för att påverka deras effektivitet som saneringsmedel.
Liten men mäktig
ES&T-artikeln, med titeln "Strukturell utveckling av Pd-dopat Nanoscale Zero-Valent Iron (nZVI) i vattenhaltiga medier och konsekvenser för partikelåldring och reaktivitet, ” skrevs av Weile Yan, en Ph.D. kandidat inom civil- och miljöteknik, med Andrew Herzing ’07 Ph.D., en materialforskningsingenjör vid National Institute of Standards and Technology; Xiao-Qin Li, som fick en Ph.D. inom civil- och miljöteknik 2008; Christopher Kiely, professor i materialvetenskap och teknik; och Wei-xian Zhang, professor i byggnads- och miljöteknik.
Nanopartiklarna, som uppfanns av Zhang, i genomsnitt 50 nanometer i diameter (1 nm motsvarar en miljarddels meter). Öar av palladium på järnets yttre yta mäter 2 till 5 nm i diameter. Partiklarna har tagit bort bekämpningsmedel, vinylklorid, TCE och andra föroreningar i 10 stater och i Europa och Asien. Behandlade platser inkluderar deponier, en elektroniktillverkningsanläggning, kemiska anläggningar och militära anläggningar.
När det injiceras i grundvattnet, nanopartiklarna flyter med vattnet och reagerar med och avgiftar föroreningar. Deras ringa storlek och större proportionella yta ger dem mer reaktivitet med toxiner än större mängder av samma katalysator.
Denna överlägsna reaktivitet, säger Harch Gill, VD för Lehigh Nanotech LLC, ett Betlehemsföretag som äger de kommersiella rättigheterna till partiklarna, gör det möjligt för partiklarna att sanera en giftig plats på mindre än ett år, jämfört med de 10 till 20 år som krävs av pump-and-treat-metoder.
Och enligt Association of University Technology Managers, som utsåg Lehigh Nanotech till en av de 25 bästa berättelserna om tekniksamarbete 2008, "det tar bara sex uns av de små nanomaterialen, kontra ett ton större föreningar, att göra genomgripande förändringar i att städa upp förorenade miljöer.”
Som ett resultat, säger Zhang, nanopartiklarna är nu ett av världens mest använda nanomaterial.
Ett nytt fokus
Yan, som har studerat nanopartiklarna sedan 2007, säger att de experimentella resultaten kommer att hjälpa forskare att utveckla bättre metoder för att hantera och lagra partiklarna, och att samla upp och återanvända palladium efter att det har neutraliserat föroreningar. Palladium, används i katalysatorer, elektroniska enheter och bränsleceller, är en sällsynt och ofta dyr metall.
Resultaten kan också användas för att förbättra förmågan hos järnbaserade nanopartiklar att fånga och ta bort tungmetallgifter från förorenade platser, säger Yan.
"Denna tidning är bara en utgångspunkt, " hon säger. "Med samma uppsättning verktyg, vi kan studera metallarter och nZVI för att lära oss hur tungmetaller fångas upp av nZVI, där de interagerar och där slutdestinationen för tungmetallerna är inuti nZVI."
Gruppens forskning, säger Yan, möjliggjordes av det faktum att Lehigh har det största elektronmikroskopilabbet i USA. Den aberrationskorrigerade STEM som används av Yans team löser bilder till 0,1 nm samtidigt som den identifierar den kemiska sammansättningen i denna lilla "pixel" av ett prov. I kombination med XEDS, det gjorde det möjligt för forskarna att kartlägga ytan och det inre av järnnanopartikeln, lokalisera öarna palladium, och spåra infiltrationen av palladium till partikelns inre. Gruppen använde också röntgenfotoelektronspektroskopi (XPS) för att undersöka förändringarna i nanopartiklarnas kemiska egenskaper.
Instrumenten gjorde det möjligt för gruppen att ta ett nytt förhållningssätt till sin forskning, säger Yan.
"Det traditionella sättet att göra miljöforskning är att undersöka föroreningarna i vattnet för att säkerställa att de utplånas, " Hon sa. "Vi tar ett annat tillvägagångssätt genom att titta inuti behandlingsmedlet för att se vad som händer med det och hur sanering faktiskt sker."
Yan kommer att hålla en presentation om gruppens forskning för Environmental Chemical Division i American Chemical Society vid ACS årliga konferens i augusti i Boston.
