Hur påverkar nanomaterial vattenkvalitetsövervakning och detektion av föroreningar?

Nanoteknik har snabbt blivit ett kraftfullt verktyg för att övervaka och analysera vattenkvalitet, särskilt genom användning av nanosensorer. Dessa sensorer utnyttjar de unika fysikaliska och kemiska egenskaperna hos nanomaterial för att på ett mycket känsligt sätt detektera föroreningar och analytera vattenprover med hög noggrannhet. En av de mest framträdande teknikerna är användningen av metallelektroder baserade på nanopartiklar som guld, silver och koppar. Dessa elektroder har visat sig förbättra både känslighet och selektivitet för olika elektrokemiskt aktiva ämnen, inklusive tungmetaller, glukos och proteiner (Feng et al., 2009; Salunke et al., 2017; Wang et al., 2017; Huang et al., 2020).

När målmolekyler fäster sig vid ytan på metallnanopartiklar, till exempel silvernanopartiklar, kommer deras LSPR-spektrum att förskjutas. Detta fenomen har utnyttjats i många metallnanopartikelbaserade nanosensorer som kan detektera molekyler även på extremt låga nivåer. Selektion av målämnen uppnås genom att kemiskt modifiera nanopartiklarna med molekylära igenkänningselement som enzymer, antikroppar eller antigener (Riboh et al., 2003).

Förutom metall- och kolnanopartiklar har även andra nanomaterial som t.ex. titanoxide

Hur kan nanoteknik användas för att upptäcka föroreningar i grundvatten och säkerställa vattenkvalitet?

Förorening är ett globalt problem som påverkar miljön, ekosystemet och folkhälsan på ett negativt sätt. Processen, som gör luft, vatten och jord osäkra för användning genom introduktionen av föroreningar, är känd för sin allvarliga påverkan. Medan ljud, värme och ljus kan orsaka föroreningar, är kemiska och biologiska avfall de främsta föroreningarna, som släpps ut i miljön både genom naturliga processer och människans aktiviteter. Mänskligt orsakat förorening dödar miljontals människor varje år, och dess effekter överträffar de från rökning, AIDS, malaria, tuberkulos och alkoholkonsumtion (Lesne, 2018). Enbart 2015 orsakade föroreningar omkring 9 miljoner för tidiga dödsfall, och de finansiella kostnaderna som är förknippade med föroreningar relaterade till dödsfall, sjukdomar och välfärdsförluster beräknas uppgå till cirka 4,6 biljoner dollar, vilket motsvarar 6,2% av den globala ekonomin.

I samband med det växande behovet av effektiva metoder för att upptäcka och övervaka föroreningar har nanoteknik framstått som en lovande lösning. Nanoteknikens förmåga att manipulera och designa material på en mycket liten skala ger möjlighet till utvecklingen av känsliga nanosensorer, som kan upptäcka mikroskopiska föroreningar i vattenkällor med en otrolig precision. Nanosensorer, såsom de baserade på kolnanorör, guldnanopartiklar och kvantprickar, har visat sig vara effektiva i detekteringen av olika föroreningar i både vatten och luft.

Användningen av nanopartiklar för att förbättra biosensorers känslighet är ett av de mest framstående framstegen inom detta område. Nanopartiklar, såsom kolnanopartiklar och guldnanopartiklar, används för att förstärka signaler i biosensorer genom att öka ytan för reaktioner och förbättra interaktionen mellan biosensorns komponenter och föroreningen. Exempelvis har biosensorer som använder guldnanopartiklar för att detektera metaller i vatten visat sig ha hög känslighet och selektivitet, vilket gör dem användbara för att upptäcka även de lägsta koncentrationerna av föroreningar som kvicksilver och bly (Huang et al., 2020).

Förutom detektering används nanoteknik också för att rena förorenat vatten. Nanomaterial som grafen och kiselbaserade nanostrukturer har visat sig vara effektiva i att ta bort tungmetaller och andra föroreningar från grundvattnet. Dessa material fungerar som filter och kan effektivt adsorbera föroreningar utan att släppa ut dem tillbaka i vattnet. Genom att använda nanoteknik kan vi också skapa rörliga filter enheter som kan användas på fältet för att snabbt och effektivt rena förorenat vatten på plats.

Utvecklingen av nanotekniken har möjliggjort skapandet av bärbara och kostnadseffektiva sensorer som kan användas för att övervaka vattenkvalitet i realtid. Detta gör det möjligt för både myndigheter och privata företag att snabbt upptäcka förändringar i vattenkvaliteten och reagera på föroreningar innan de når farliga nivåer. I framtiden kan dessa teknologier även integreras i större miljöövervakningssystem för att ge ett kontinuerligt flöde av data om vattenkvaliteten och därigenom bidra till bättre skydd av både människors hälsa och miljön.

En viktig aspekt av användningen av nanoteknik i grundvattenövervakning är dock behovet av att noggrant bedöma de långsiktiga effekterna på miljön. Även om nanomaterialen själva kan vara effektiva för att filtrera eller detektera föroreningar, är det fortfarande oklart hur de kan påverka ekosystemen om de hamnar i grundvattenkällor i stora mängder. Därför krävs ytterligare forskning för att förstå de potentiella riskerna med att använda nanoteknik i vattenrening och övervakning på lång sikt.

I slutändan har nanotekniken potential att radikalt förändra sättet på vilket vi övervakar och hanterar grundvattenkvalitet. Genom att tillämpa dessa teknologier kan vi inte bara upptäcka och åtgärda föroreningar snabbare, utan också skapa mer hållbara och effektiva system för att rena och skydda våra vattenresurser.

Hur kan persulfat och nanoteknik förbättra rening av grundvatten?

Framgången för PRB-teknologin för grundvattenrening beror på det reaktiva mediet, som bör uppfylla följande fyra kriterier: (1) en stark förmåga att snabbt avlägsna föroreningar genom fysiska, kemiska eller biologiska reaktioner utan att orsaka sekundär förorening, (2) jämn storlek och hög hydraulisk ledningsförmåga som uppfyller hydrogeologiska krav, (3) relativt god fysisk och kemisk stabilitet i grundvattnet och (4) låg kostnad och hög tillgång. Vanligt använda reaktiva medier för PRB som uppfyller dessa kriterier inkluderar ZVI (järn-noll-valens), järnoxid och hydroxid, aktivt kol, zeolit, apatit, kalksten, torv, jonbytare, etc. Dessa medier kan effektivt eliminera föroreningar genom adsorption, fällning, reduktion/oxidation och nedbrytning. ZVI är det första reaktiva mediet av sitt slag och det mest populära valet i PRB för in-situ grundvattenrening. Järn är ett av de mest rikliga elementen på jorden och utgör 4,75% av jordens skorpelement. Därför är råmaterialet för ZVI billigt och lätt att skaffa. Dessutom är järn kemiskt aktivt och har ett redoxpotential på −0,44 V, vilket gör det enkelt att nedbryta och avgifta ett brett spektrum av typiska föroreningar i grundvatten. ZVI är dessutom miljövänligt, och reningsprocessen medför ingen eller låg risk för sekundär förorening. På grund av dessa fördelar har hundratals ZVI-baserade PRB installerats på olika platser för grundvattenrening över hela världen.

Den snabba utvecklingen av nZVI-teknologi kan delvis tillskrivas framgången med ZVI i PRB för grundvattenrening. På grund av deras stora storlekar har vanliga ZVI-partiklar endast en liten specifik yta och kanske inte är tillräckligt effektiva för att eliminera vissa föroreningar som passerar genom barriärerna. Å andra sidan består nZVI av nanopartiklar med en mycket hög specifik yta. Detta gör att de uppvisar en utmärkt reaktivitet som är 10 till 100 gånger högre än för vanlig ZVI. När vanlig ZVI används i PRB för grundvattenrening är det mest tidskrävande och resurskrävande steget installationen av den reaktiva barriären, som måste installeras djupt i jorden och grundvattensystemet för att korsa hela akviferen och fånga föroreningsplumparna. Eftersom nZVI-nanopartiklar kan hållas i suspension och levereras med flöde, är deras användning vid grundvattenrening mycket mer bekväm än för vanlig ZVI. Suspensioner av nZVI-partiklar kan appliceras genom injektionsbrunnar i grundvattnet för att antingen bilda en reaktiv barriär genom att fästa vid jorden eller direkt attackera föroreningarna genom kemisk nedbrytning. Dessa funktioner gör nZVI mer kostnadseffektivt än ZVI vid grundvattenrening, även om nZVI har ett högre pris. Dessutom har nZVI mycket högre reaktivitet och har därför blivit det mest lovande grundvattenreningsreagenset som nyligen har dragit intensiv uppmärksamhet.

Flera metoder baserade på både top-down och bottom-up metoder har utvecklats för att syntetisera nZVI för grundvattenrening. Top-down-metoder baseras på fysiska processer såsom malning och slipning för att bryta ned bulkjärn till nanosize partiklar. Bottom-up-metoder bygger huvudsakligen på kemisk reduktion av ferriska eller ferrosalt för att skapa nZVI-partiklar. Natriumborhydrid (NaBH4) är det vanligaste kemiska reduktionsmedlet i laboratorier för att framställa nZVI från ferriska eller ferrosalter.

Att producera nZVI i stor skala för grundvattenrening uppnås huvudsakligen genom högtemperatur-hydrogenering av goetit/hematit eller elektrolys som använder en lösning som innehåller ferrosjärn, elektroder (katod och anod) och elektrisk ström. Flera studier har också visat att lågkostnadiga kolbaserade material som biokol och kolsvart kan användas för att producera nZVI från järnkomponenter genom högtemperaturreaktioner (>500 °C).

Hur effektivt kan sandfiltrering avlägsna nanopartiklar?

Den konvektions–dispersionsteorin (TE-teorin) tillhandahåller en matematisk modell för att beräkna effektiviteten hos en enskild kontakt mellan partiklar och filtermaterial, uttryckt som 𝜂0. Denna effektivitet kan delas upp i tre komponenter: 𝜂I, 𝜂d och 𝜂s, som representerar olika faktorer som påverkar partikelavlägsnandet i en sandfilterkolonn. Ursprunglig information om TE-teorin kan hittas i den banbrytande artikeln av Tufenkji och Elimelech (2004), där en korrelationsformel för att förutsäga effektiviteten hos enskilda kontakter i fysikokemisk filtrering i mättade porösa medier presenteras. För många vattenbehandlingssystem är de fysiska förhållandena ogynnsamma för partikelavlägsnande, vilket gör att den beräknade effektivitetskoefficienten, 𝛼, ofta är mindre än 1. För att analysera dessa förhållanden används experiment där partiklar med specifika egenskaper spåras genom sandkolonner och partikelgenomsläpp analyseras.

Partikelgenomsläppet kan mätas genom att använda en enkel formel som beräknar effektiviteten för en given filtermediekolonn under specifika fysikokemiska förhållanden. Dessa resultat används sedan för att designa filter med optimal djup och sammansättning, särskilt för att avlägsna nanopartiklar och kolloider från vattenflödet. Experimentella data för sandfilter, såsom de som samlats in genom partikelgenomsläppskurvor, gör det möjligt att beräkna hur effektivt en viss sandkolonn kan filtrera partiklar beroende på olika variabler som filtrens längd, partikelkoncentrationer och kontaktekvationer.

För att förbättra filterdesignen och effektiviteten vid borttagning av nanopartiklar kan den teoretiska modellen, som inkluderar både primära och sekundära energiminimum, användas. Metoder som de som beskrivits av Hahn och O’Melia (2004), som använder den så kallade Maxwell-modellen, kan ge en mer detaljerad förståelse för hur partiklar binder sig till filtermaterialet under olika fysikokemiska förhållanden. Denna modell baseras på att beräkna depositionen av partiklar i de sekundära energiminimumen, vilket påverkas av filtermaterialets ytkemi och det elektriska laddningsfältet mellan partiklarna och filterytorna.

Forskning som genomförts av Tian et al. (2012b) och andra har också visat att tillsats av en liten mängd CNTs till sandkolonner kan förbättra filtreringseffektiviteten betydligt. I deras experiment förbättrade en CNT-baserad sandfilterkolonn filtreringseffektiviteten för tungmetaller som bly (Pb2+) och koppar (Cu2+) med upp till 75% respektive 57%. Även om CNTs endast utgjorde 0,006% av sandens vikt, visade resultaten på en märkbar förbättring i filterkapaciteten. Denna forskning öppnar upp nya möjligheter för att använda funktionaliserade nanopartiklar för att förstärka sandfilter i praktiska tillämpningar där vatten måste renas från både små och giftiga partiklar.

Hur kan nanomaterial effektivt filtreras från vatten med hjälp av kolbaserade medier?

Användningen av nanomaterial inom olika industriella och teknologiska tillämpningar har ökat avsevärt, vilket har lett till en samtidig ökning av dessa material i miljön, särskilt i vattenresurser. En sådan kategori av material är de funktionaliserade nanopartiklarna (ENPs), som inkluderar ämnen som silvernanopartiklar (AgNP), kolfiber-nanotuber (CNTs), och nano titandioxid (NTiO2). Dessa partiklar har förmågan att förorena vattenkällor och skapa potentiella hälsorisker. För att bemöta dessa utmaningar har forskare undersökt olika filtreringstekniker för att effektivt avlägsna dessa ENPs från vattenflöden. En av de mest lovande metoderna är användningen av kolfiltermaterial, såsom aktivt kol (AC) och biochar (HC), där ytterligare modifiering med järnoxyhydroxider förbättrar filtreringseffektiviteten.

För att förstå varför järnmodifiering av biochar och aktivt kol är så effektivt, måste vi titta på de fysikaliska och kemiska egenskaperna hos dessa filtermedier. När järnoxyhydroxider impregneras på kolfiltret, förändras ytpotentialen (zeta) av biochar och aktivt kol dramatiskt, vilket förbättrar deras förmåga att fånga och hålla fast nanopartiklar. Detta bekräftas av experimentella data där de icke-modifierade kolmaterialen och sanden inte visade någon signifikant filtreringseffekt för nanopartiklar, medan järnmodifierade kolmaterial visade en mycket bättre förmåga att ta bort partiklar från vattenflödet.

I de utförda testerna, där fasta kolonner med olika filtreringsmaterial användes, observerades en signifikant skillnad i filtreringseffektivitet beroende på om kolen var modifierad med järn. För nanopartiklar som AgNP och NTiO2 var filtreringseffektiviteten markant högre i kolonner med järnmodifierat aktivt kol och biochar jämfört med de utan modifiering. Denna forskning visar på den potentiella användningen av järnmodifierad biochar som ett kostnadseffektivt och miljövänligt alternativ för att rena vatten från ENPs, vilket är en viktig insikt för både forskning och tillämpningar inom vattenrening.

Utöver de tekniska aspekterna är det också viktigt att förstå att filtrering av nanopartiklar från vatten inte enbart handlar om att fånga partiklarna utan också om att förstå deras interaktioner med andra föroreningar i vattenmiljön. Det har visat sig att de funktionaliserade nanopartiklarna inte bara kan samverka med andra föroreningar utan även påverka filtreringsprocessen genom att förändra flödesdynamik och sorptionskapacitet hos filtreringsmaterialen. Genom att optimera filtermaterialens egenskaper, som ytpotential och porvolym, kan vi ytterligare förbättra effektiviteten i nanopartikelfiltrering.

Det är också värt att notera att medan järnmodifierad biochar och aktivt kol har visat goda resultat, krävs ytterligare forskning för att förstå långsiktiga effekter och stabiliteten hos dessa filtermedier när de utsätts för upprepad användning eller förändringar i vattenkvaliteten. Detta är ett viktigt område för framtida studier, eftersom det kan ha stor betydelse för praktisk tillämpning på större skala, särskilt i vattenreningssystem.