Presentasjon 7. november under VA-dagene Innlandet 2012, Hamar. Nanoteknologi. - fremtidens teknologi innen VA? av Christian Vogelsang

Transkript

1 Presentasjon 7. november under VA-dagene Innlandet 2012, Hamar Nanoteknologi - fremtidens teknologi innen VA? av Christian Vogelsang

2 2

3 Viktigste kilder Nanotechnology in Water Treatment Applications. Caister Academic Press, UK, 2010 Wikipedia (engelsk) 3

4 Oppsummering og konklusjon Det har pågått en relativt stor satsing på ny nanoteknologisk vannrensing siden tallet Nanoteknologiske applikasjoner kan muligvis bidra til mer effektive rensesystemer; raskere, lavere energiforbruk, mer spesifikke, høyere kapasitet Utfordringer: mangler foreløpig metoder for å ta de mer avanserte teknologiske nyutvinningene i praktisk bruk; effektiv utnyttelse av potensialet og oppskalering + potensielle kostnader og kostnytte Nanoteknologisk forskning er kun i startgropen 4

5 Hva er det med nanoteknologi? Skala-avhengige fenomener <100 nm (quantum size and surface effects): Ekstremt overflate-til-volumforhold; påvirker bl.a. adsorpsjon og reaksjonshastighet Ikke-løselige forbindelser blir løselige (Au); katalytiske egenskaper Stabile metaller blir kraftig reaktive (Al) Opake stoffer blir gjennomsiktige (Cu) Mekanisk styrke Mange av de samme fenomenene som gjør nanopartiklene til en potensiell trussel 5

6 Eksisterende og potensielle nanoteknologiske applikasjoner for vannrensing Nanoreactive membranes Nanostructured membranes CeO 2 -carbon nanotubes 6

7 Å bygge med legoklosser Passive nanostrukturer Aktive nanoenheter Komplekse nanomaskiner Produktive nanosystemer Lavere produksjonskostander Ingen biprodukter 7

8 Bruksområder for nanoteknologi innen drikkevannsbehandling Desinfisering Fysisk fjerning av tungmetaller og organiske miljøgifter Nedbrytning av organiske miljøgifter Desalinering Overvåkning Marked (BBC Research Report 2012): gamle produkter (RO, nanofiltrering, ultrafiltrering): $1.4 mrd. 2010, $2.1 mrd nye produkter: $45 mill. 2010, $112 mill

9 Desinfisering Hvorfor interessant? Stort privat marked; enkle/bærbare løsninger Krisehåndtering Aktuelt på større anlegg? Konkurrerer med/forbedrer: tradisjonell membranfiltrering klorering og UV-behandling 9

10 Effekt av sølv-nanopartikler mye studert og brukt kommersielt (>10-20 ulike produkter?) Mest effektivt <10 nm; trenger å penetrere celleveggen Inkorporert i keramiske membraner eller til aktivt kull; trenger forbehandling Mest effektivt mot G- bakterier Eks. Katadyn (USA/Korea) Basert på filterpatronsystem: 1. Forfilter; større partikler 2. Aktivt kullfilter I; klorrester 3. Aktivt kullfilter II; lukt, smak 4. Keramisk filter med nanosølv; desinfisering og partikler >0,2 µm MARATHON Hot&Cold Water Purifiers 10

11 TiO 2 -mediert fotokatalytisk desinfisering Mye studert siden 1980-tallet, men fortsatt ikke fullt forstått; cellemembranen angripes av H 2 O 2 /OH TiO 2 i form av partikler eller nanofibere TiO 2 dopet med Pt, Ag, Fe(III): UV-aktivert TiO 2 dopet med C, N, S: synlig lys-aktivert! S-dopet: effektiv mot enkelte G+ bakterier Men: Ønsker ikke sølvnanopartikler eller TiO 2 i drikkevannet Løsning: TiO 2 -coating av f.eks membraner Men: Redusert tilgjengelig overflate for TiO 2 og redusert lystilgang Fe-dopete nanofibere av TiO2 [Azad & Hershey, 2010] NB: Ingen desinfeksjonsrest på nettet! 11

12 Nanotech Tea Bag Purifies Drinking Water for Less Than a Penny [Sør-Afrika] Teposen belagt med TiO 2 - nanofibre innsatt med et antimikrobielt stoff Aktivt kull i posen 12

13 Fysisk fjerning av tungmetaller og organiske miljøgifter Hvorfor interessant? Tungmetaller (As) og organiske miljøgifter (pesticider, algetoksiner) en utfordring mange steder i verden Kostbart og vanskelig å fjerne med tradisjonelle metoder Konkurrerer med adsorpsjon til aktivt kull og ozonering-biofiltrering 13

14 Karbon nanorør Enkelt- eller multiveggete rør, evt. med ½ fulleren i enden Fått mye oppmerksomhet: 2-4x større absorpsjonskapasitet enn aktivt kull God effekt: Tungmetaller; As, Cd, Cr, Cu, Pb Organiske miljøgifter; THM, nitrofenol og klorofenoler, trikloroetylen, sprøytemidler, algetoksiner (4x AC), Utfordringer: kostbare, lav løselighet, vanskelig isolering/regenerering etterpå [Wei-xian Zhang, 2005] 14 [Cloete et al, 2010]

15 Forbedring av dagens membranfiltreringsprosesser Mer energieffektiv filtrering; redusere trykktap & fouling Raskere, mer spesifikk absorbering, økt kapasitet 15

16 Eksempel:Seldon Technologies (USA) Basert på Nanomesh ; patentert filterteknologi med karbon nanorør Hovedapplikasjoner: rensing av grunnvann, drivstoff og luft Påvist å fjerne eller betydelig redusere: «lead, chromium, endotoxins, chloroform, arsenic, copper, radioactive isotopes, dioxin, guardia lambia, chlorine, selenium, carbon tetrachloride, fenamiphos, cryptosporidium, cadmium, thallium, benzene, MTBE, perchlorate, acrylonitrile, volatile organic compounds (VOCs), total organic compounds (TOCs), bis- 2-ethylhexyl phalathate, acrolein, fenamiphos, vinyl chloride, uranium, nicotine, parquets, xylenes, mercury, small organic compounds, trichloroethylene, phenol, titanium, antimony, macromolecules,» 16

17 3 produkter fra Seldon Technologies Seldon Waterbox Seldon WaterStick Seldon WaterTap 17

18 Nanostrukturerte membraner Karbon nanorør: utfordring å lage større strukturer med kontrollert form, tetthet og dimensjon Nanocapillary array (NCA)-membraner (ladete kapillærer) Nanoreaktive membraner; med Al, Fe, TiO 2 -partikler oksidasjon med polyelektrolytter, polyaminer chelatorer for å fange/binde metallene, og senere recovery av metallkonsentrat 18

19 Eks.: Nano-jernmembraner nm Fe-partikler; m 2 /g Adsorpsjon av tungmetaller (As, Pb, Cd) Porøse partikler; større overflate + forbedret gjennomstrømning Dendrimerer og membraner Lipofilt indre, hydrofilt ytre Adsorpsjon av metaller og organiske miljøgifter separering ved UF + recovery av dendrimer i trinn 2 [Wei-xian Zhang, 2005] Dendrimer-koating av porer i TiO 2- keramiske filtere Lipofil Hydrofil Christian [Cloete Vogelsang et al, 2010] [Wikipedia] 19

20 Nedbrytning av organiske miljøgifter I dagens vannverk; Ikke designet for fjerning av miljøgifter Ozonering/biofiltrering: 0-100% nedbrytning, transformering ikke mineralisering mer giftig? Begrenset dehalogenering Nanoteknologiske alternativer Nanoreaktive membraner Innstøping av enkelt-enzymer for stabilisering Fordeler: raskere, mer spesifikk, større kapasitet 20

21 Eks.: Nanoreaktive membraner Nano-jernmembraner (Fe o ) og redoks-reaktive membraner (Pt/Fe, Ni/Fe, Pd/Fe) >100 forbindelser testet så langt; deklorinering, debrominering og delvis mineralisering Økende oksidlag en utfordring Løsning [Cloete et al, 2010] [Wei-xian Zhang, 2005] 21

22 Avsalting av sjøvann Hvorfor interessant? Sjøvann en evigvarende vannressurs > desalineringsanlegg; m 3 /dag Hovedutfordring: RO ressurs- og energikrevende: Forbehandling Drikkevann fra sjøvann krever bar overtrykk 22

23 Stor satsing på nanoteknologi: [Eric M.V. Hoek] [Sung Jae Kim/Jongyoon Han, MIT] Ionekonsentrasjonspolarisering Bærbar, batteridrevet Kanalisering (2.8 Å) via aquaporin-proteiner Sterkt hydrofobe karbon nanorør 23

24 Hvorfor interessant? Overvåkning Økt krav til og behov for overvåkning Spesifikk deteksjon av sykdomsfremkallende mikroorganismer og miljøgifter Lav deteksjonsgrense [IWA, aug. 2012] 24

25 Flere applikasjoner for spesifikk deteksjon av mikroorganismer, metaller og organiske forbindelser under utvikling; rask, presis respons The Ion Channel Switch TM 25

26 Takk for oppmerksomheten! [Matt Groening, 2011] 26