Det finns nanometaller i din tvättmaskin. Upphovsman:Evgeny Atamanenko
Människor har sedan antiken vet att silver dödar eller stoppar tillväxten av många mikroorganismer. Hippokrates, medicinens far, sägs ha använt silverpreparat för behandling av sår och läkning av sår. Fram till introduktionen av antibiotika på 1940 -talet, kolloidalt silver (små partiklar suspenderade i en vätska) var en grundpelare för behandling av brännskador, infekterade sår och sår. Silver används än idag i sårförband, i krämer och som beläggning på medicintekniska produkter.
Sedan 1990 -talet har tillverkare har lagt till nanopartiklar av silver till många konsumentprodukter för att förbättra deras antibakteriella och luktdämpande egenskaper. Exempel är kläder, handdukar, underkläder, strumpor, tandkräm och mjuka leksaker. Nanopartiklar är extremt små partiklar, sträcker sig från 1 till 100 nanometer i diameter - för liten för att se ens med ett mikroskop. Enligt en allmänt citerad databas, ungefär en fjärdedel av nanomaterialbaserade konsumentprodukter som för närvarande marknadsförs i USA innehåller nanosilver.
Flera studier har rapporterat att nanosilver läcker ut ur textilier när de tvättas. Forskning visar också att nanosilver kan vara giftigt för människor och vattenlevande och marina organismer. Även om det används flitigt, lite förstås om dess öde eller långsiktiga toxiska effekter i miljön.
Vi utvecklar sätt att omvandla denna potentiella ekologiska kris till en möjlighet genom att återvinna ren silver nanopartiklar, som har många industriella tillämpningar, från tvättvatten. I en nyligen publicerad studie, vi beskriver en teknik för silveråtervinning och diskuterar de viktigaste tekniska utmaningarna. Vår metod hanterar detta problem vid källan - i det här fallet individuella tvättmaskiner. Vi tror att denna strategi har ett stort löfte för att få nyidentifierade föroreningar ur avloppsvatten.
En silhuett i textil
Användningen av nanosilver i konsumentprodukter har ökat stadigt under det senaste decenniet. Marknadsandelen för silverbaserade textilier ökade från 9 procent 2004 till 25 procent 2011.
Flera utredare har mätt silverhalten i textilier och hittat värden från 0,009 till 21, 600 milligram silver per kilo textil. Studier visar att mängden silver som lakas ut i tvättlösningen beror på många faktorer, inklusive interaktioner mellan tvättmedel och andra kemikalier och hur silver fästs på textilierna.
I människor, exponering för silver kan skada leverceller, hud och lungor. Långvarig exponering eller exponering för en stor dos kan orsaka ett tillstånd som kallas Argyria, där offrets hud blir permanent blågrå.
Silver är giftigt för många mikrober och vattenlevande organismer, inklusive zebrafisk, regnbåge och djurplankton.
Giftiga effekter av silvernanopartiklar på zebrafiskembryon. Upphovsman:Asharani et al., 2008., CC BY
När silver går ner i avloppet och hamnar på avloppsreningsverk, det kan potentiellt skada bakteriella behandlingsprocesser, gör dem mindre effektiva, och fultbehandlingsutrustning. Mer än 90 procent av silver nanopartiklar som släpps ut i avloppsvatten hamnar i näringsrika biosolider kvar i slutet av avloppsreningen, som ofta används på marken som jordbruksgödsel.
Detta medför flera risker. Om växter tar upp silver från jorden, de kunde koncentrera det och introducera det i näringskedjan. Det kan också läcka ut i grundvattnet eller sköljas i floder via regnbyger eller erosion.
Behandla tvättvatten vid källan
Vår forskning visar att det mest effektiva sättet att ta bort silver från avloppsvatten är att behandla det i tvättmaskinen. Vid denna tidpunkt är silverkoncentrationerna relativt höga, och silver frigörs initialt från behandlade kläder i en kemisk form som är genomförbar.
När tvätt tvättas tvättvatten till avloppsreningsverk och blandas med avloppsvatten och vatten från andra källor, silverkoncentrationerna minskar betydligt och kan omvandlas till olika kemiska former.
Lite kemi är till hjälp här. Vår återhämtningsmetod använder en allmänt använd kemiprocess som kallas jonbyte. Joner är atomer eller molekyler som har en elektrisk laddning. Vid jonbyte, ett fast ämne och en vätska förs samman och utbyter joner med varandra.
Till exempel, hushållstvålar skummar inte bra i "hårt" vatten, som innehåller höga halter av joner som magnesium och kalcium. Många hemvattenfilter använder jonbyte för att "mjukna" vattnet, ersätta dessa material med andra joner som inte påverkar dess egenskaper på samma sätt.
För att denna process ska fungera, jonerna som byter plats måste både vara positivt eller negativt laddade. Nanosilver frigörs initialt från textilier som silverjon, som är en katjon - en jon med en positiv laddning (därav plustecknet i dess kemiska symbol, Ag+).
Även vid källan, att ta bort silver från tvättvatten är en utmaning. Silverkoncentrationer i tvättlösningen är relativt låga jämfört med andra katjoner, såsom kalcium, som kan störa borttagningsprocessen. Tvättmedelskemi komplicerar bilden ytterligare eftersom vissa tvättmedelskomponenter potentiellt kan interagera med silver.
Schematisk bild av silveråtervinningsprocessen med hjälp av jonbytarharts. Upphovsman:Tabish Nawaz
För att återvinna silver utan att plocka upp andra kemikalier, återvinningsprocessen måste använda material som har en kemisk affinitet för silver. I en tidigare studie, vi beskrev en möjlig lösning:Använda jonbytarmaterial inbäddade i svavelbaserade kemikalier, som binder företrädesvis med silver.
I vår nya studie, Vi ledde tvättvatten genom en jonbyteshartskolonn och analyserade hur varje viktig tvättmedelsingrediens interagerade med silver i vattnet och påverkade hartss förmåga att ta bort silver från vattnet. Genom att manipulera processförhållanden som pH, temperatur och koncentration av icke -silverkatjoner, vi kunde identifiera förhållanden som maximerade silveråtervinningen.
Vi fann att pH och halterna av kalciumjoner (Ca2+) var kritiska faktorer. Högre halter av väte eller kalciumjoner binder upp tvättmedelsingredienser och hindrar dem från att interagera med silverjoner, så jonbytarhartset kan ta bort silvret från lösningen. Vi fann också att vissa tvättmedelsingredienser-särskilt bleknings- och vattenmjukgörande medel-fick jonbytarhartset att fungera mindre effektivt. Beroende på dessa förhållanden, vi återvann mellan 20 procent och 99 procent av silvret i tvättvattnet.
Våra resultat kan stimulera forskning om alternativa rengöringsmedel som förbättrar silveråtervinning. De visar också att jonbytarteknologi kan återvinna spår silver från tvättvatten som innehåller höga halter av tvättmedel.
Framtiden för avloppsrening
Idag samlas avloppsvatten från flera källor, som hem och företag, och ledas över långa avstånd till centraliserade avloppsreningsverk. Men ökande bevis visar att dessa anläggningar är dåligt utrustade för att hålla nyidentifierade föroreningar utanför miljön, eftersom de använder ett gemensamt behandlingsschema för många olika avfallsströmmar.
Vi tror att framtiden ligger i decentraliserade system som kan behandla olika typer av avloppsvatten med specifik teknik som är utformad speciellt för de material de innehåller. Om avloppsvatten från tvättstugor innehåller andra föroreningar än avloppsvatten från restauranger, varför behandla dem på samma sätt?
Vår strategi är både mer effektiv och ett mer effektivt sätt att ta itu med nya miljöproblem - eventuellt genom ett steg så enkelt som att installera en specialiserad vattenbehandlingspatron i din tvättmaskin.