Nanoteknologi til rensing av vann

Transkript

1 Nanoteknologi til rensing av vann - Kan nanoteknologi gi løsninger for framtidige utfordringer? av Christian Vogelsang

2 2

3 Globale utfordringer knyttet til drikkevanns- og avløpsvannrensing Drikkevann Nok vann med egnet kvalitet Økende grad av kildekontaminering; org/uorg miljøgifter, mikroorg, salt Ressursbruk og kostnader Forfall og vekst på ledningsnettet Operasjonell stabilitet Leveransesikkerhet under kriser Økte dokumentasjonskrav; produktkvalitet Avløpsvann Økt belastning pga befolkningsvekst Økte overløp ledningsnett pga fortetning, økt belastn. og nedbør Gamle og nye organiske miljøgifter; kroniske miljøeffekter Ressursbruk; materialer, energi Ressursgjenvinning; biogass, varme, fosfor Strengere resipientkrav; VD, rekreasjon Begrensende faktor Krav, behov Kostnader Effektivitet Marked 3

4 Viktigste kilder Nanotechnology in Water Treatment Applications. Caister Academic Press, UK, 2010 Wikipedia (engelsk) 4

5 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 kostander? Nanoteknologisk forskning er kun i startgropen 5

6 Oversikt Nanoteknologi? Status og eksempler Desinfisering Fysisk fjerning av mikroorganismer, tungmetaller og organiske miljøgifter Nedbrytning av organiske miljøgifter Desalinering Gjenvinning Overvåkning 6

7 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 7

8 Eksisterende og potensielle nanoteknologiske applikasjoner for vannrensing Nanoreactive membranes Passive nanostrukturer Nanostructured membranes CeO 2 -carbon nanotubes Aktive nanoenheter Komplekse nanomaskiner Produktive nanosystemer 8

9 Desinfisering Må konkurrere med klorering og UV-behandling 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 9

10 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 Drikkevannsdesinfisering kontinuerlig prosess; rapportert lange kontakttider (> 1 time) Fe-dopete nanofibere av TiO2 [Azad & Hershey, 2010] Dose = konsentrasjon x kontakttid = CT-verdi 10

11 Fysisk fjerning av mikroorganismer, tungmetaller og organiske miljøgifter Karbon nanorør Enkelt- eller multiveggete rør 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] 11 [Cloete et al, 2010]

12 Forbedring av dagens membranfiltreringsprosesser Mer energieffektiv filtrering; redusere trykktap & fouling Raskere, mer spesifikk absorbering, økt kapasitet 12

13 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,» 13

14 3 produkter fra Seldon Technologies Seldon Waterbox Seldon WaterStick Seldon WaterTap 14

15 Nanostrukturerte membraner Karbon nanorør: utfordring å lage større strukturer med kontrollert form, tetthet og dimensjon Nanocapillary array (NCA)-membraner Nanoreaktive membraner; med Al, Fe, TiO 2 -partikler oksidasjon med polyelektrolytter, polyaminer chelatorer for å fange/binde metallene, og senere recovery av metallkonsentrat 15

16 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] 16

17 Nedbrytning av organiske miljøgifter I dagens avløpsrenseanlegg; Ikke designet for fjerning av miljøgifter Upolare (log Kow>4) til slam, polare rett gjennom 0-100% nedbrytning: Transformering ikke mineralisering mer giftig? Begrenset dehalogenering Alternativ etterpolering; Ozonering; lite spesifikk mer giftig? Nanoteknologiske alternativer Nanoreaktive membraner Innstøping av enkelt-enzymer for stabilisering Fordeler: raskere, mer spesifikk, større kapasitet 17

18 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] 18

19 Avsalting av sjøvann > desalineringsanlegg; m 3 /dag RO ressurs- og energikrevende: Forbehandling Drikkevann fra sjøvann krever bar overtrykk Stor satsing på nanoteknologi: [Sung Jae Kim/Jongyoon Han, MIT] [Eric M.V. Hoek] Ionekonsentrasjonspolarisering Bærbar, batteridrevet Kanalisering (2.8 Å) via aquaporin-proteiner Sterkt hydrofobe Karbon nanorør 19

20 Nanozeolitter (Al/Si/O) Gjenvinning NanoChem; kommerialisert løsning for regenerering av ammonium fra NH 4 -rike kilder (bl.a. rejektvann slamavvanning, sigevann fra fyllinger) 20

21 Overvåkning Flere applikasjoner for spesifikk deteksjon av mikroorganismer, metaller og organiske forbindelser under utvikling; rask, presis respons The Ion Channel Switch TM 21

22 Takk for oppmerksomheten! Matt Groening, 22011