Ett aktivt kolfilter - som finns i många hushållsfiltreringssystem - kan rena ditt dricksvatten, men det är ingen match för avloppsvatten som innehåller sprängämnen av militär kvalitet. För att rengöra avloppsvatten från ammunitionsbehandling och demilitarisering, ett par miljöingenjörsprofessorer vid University of Delaware och en UD -ingenjörsalumn samarbetar för att testa en ny teknik med hjälp av järnanopartiklar.

Genom ett bidrag från US Department of Defense (DOD), professorerna Pei Chiu och Daniel Cha arbetar med Brian Hubbard, en miljö, säkerhets- och arbetshälsoansvarig med den amerikanska armén, att bryta ner sprängämnen i avloppsvatten. Det treåriga bidraget, som började 2019, kommer från DOD:s Environmental Security Technology Certification Program (ESTCP). Hubbard, som tog en kandidatexamen och magisterexamen i miljöteknik från UD, är huvudutredaren, och Cha och Chiu är medarbetare i projektet. Flera studenter, inklusive miljöingenjörsstudent Aidan Meese, deltar också i projektet.

Genom att utveckla och implementera ny behandlingsteknik för avloppsvatten som innehåller okänsliga ammunitionsföreningar, militären kan främja miljövård och minska kostnaderna.

Säkrare vapen, smutsigare vatten

Old-school explosiva föreningar som TNT detonerar lätt och kan slockna av misstag i närvaro av vibrationer eller plötsliga temperaturökningar. Känsligheten för dessa ammunition utgör risker för människor som hanterar dem, så idag, militären producerar okänslig ammunition som är svårare att sätta igång. Okänslig ammunition är säkrare för användare, men är mer vattenlösliga än deras historiska motsvarigheter. Dessa material löser sig lätt i vatten som används vid tillverkningen och relaterade processer och kan existera i vatten vid mycket högre koncentrationer.

"De nuvarande behandlingsmetoderna, såsom adsorption av aktivt kol, är inte särskilt effektiva för att avlägsna dessa mycket lösliga ammunitionsföreningar, "sade Chiu. (Adsorption är vidhäftningen i ett extremt tunt lager av molekyler - såsom gaser, vätskor eller upplösta ämnen - till ytorna på fasta kroppar eller vätskor som de är i kontakt med.) "Traditionell behandlingsteknik fungerar bara inte lika bra som för tidigare ammunition."

En billig, effektiv vattenreningsteknik kan gynna miljön och militären. "Processer som tillverkning genererar ofta avloppsvatten, men tänk om det vattnet kunde behandlas och återanvändas? "sade Chiu." Arméinsatser kan spara vatten och pengar och samtidigt minska riskerna. "

Vad mer, aktivt kol förstör inte ammunitionsföreningar. Det adsorberar dem, lämnar en andra avfallskälla, och eventuellt ansvar, att hantera.

Forskargruppen använder mikroskopiska järnpartiklar, nanoskala nollvärt järn, för att behandla detta vatten. Istället för att korroderas av syre i vatten, bildar rost, 25-nanometer järnpartiklar korroderas av ammunitionsföreningar i avloppsvatten. Nanopartiklarna donerar elektroner till ammunitionsföreningar och, genom elektronöverföring, de upplösta okänsliga ammunitionsföreningarna bryts ner. Nanoskala nollvärt järn har använts för att behandla grundvatten, men detta är dess första tillämpning på ammunitionsavloppsvatten.

Teamet samlade avloppsvattenprover från arméns anläggningar och, vid UD:s laboratorium, utförde vattenkvalitets- och ammunitionsföreningar med hjälp av högpresterande vätskekromatografi med en diod-array-detektor.

Efter att ha använt järnanopartiklar för att förstöra ammunitionsföreningarna i avloppsvattnet, laget lägger till väteperoxid för att oxidera resterna till ofarliga biprodukter.

Detta är teknikens skönhet. Samma järn används tre gånger för tre olika ändamål. Först, nano-nollvalent järn förstör ammunitionsföreningar direkt genom att donera elektroner och blir till tvåvärt järn. Di-valent järn aktiverar väteperoxid för att oxidera föreningarna, och i detta steg, di-valent järn blir tri-valent järn. Trevalent järn, som vanligtvis används vid vattenbehandling, kan ta bort partiklar och rester och polera det renade avloppsvattnet för eventuell utsläpp eller återanvändning.

"Med vår teknik, vi förstör faktiskt föroreningarna, "sa Cha.

Tidiga experimentella resultat är lovande och pågående och kommer att belysa optimala förutsättningar för fältprovning. Fältskalatestning påbörjas våren 2020.

"Det är en pågående process, "sa Chiu." När vi lär oss mer om kemin, vi kommer att kunna hitta bättre och mer effektiva förhållanden för att rena detta avloppsvatten. "

Projektet kommer också att innehålla en kostnadsanalys. "Vi räknar med att denna process kommer att bli mycket billigare än aktivt kol, sa Chiu.

Teamet misstänker att deras teknik kan vara mångsidig, för, med tillämplighet för behandling av industriellt avloppsvatten från andra industrier än militären - såsom jordbruksprodukter och tillverkning av konsumentprodukter.