Nanočástice železa mohou pomoci ošetřit kontaminovanou vodu – náš tým vědců je vytvořil z vypršených doplňků

Dnes přibližně 1 800 000 akrů půdy ve Spojených státech se používá k likvidaci odpadu na skládku. Z hlediska objemu se USA vygenerovaly přes 290 milionů tun pevného odpadu V roce 2018 je částka odpovídající asi 235 000 bazénům olympijských velikostí za předpokladu průměrné hustoty pevného odpadu půl tuny na metr krychlový.

Zhruba 9% – asi 26 milionů tun – tohoto odpadu se skládá ze železa a oceli. Jedná se o zdroje se stabilní tržní hodnotou používanou v různých projektech občanské infrastruktury. Jako tým z Environmentální inženýřiChtěli jsme vědět, zda bychom mohli použít odpad bohatý na železo k výrobě nanočástic oxidu železa-užitečný nástroj pro boj proti znečištění vody a hardwaru stavebního inženýrství.

Vše o nanočásticích

Nanočástice oxidu železa Skládá se z atomů železa a kyslíku a kvůli jejich velikosti vykazují jedinečné fyzikální a chemické vlastnosti. Jsou extrémně malé, obvykle v nanoměru-o průměru-miliardu metru-v průměru.

Nanočástice oxidu železa, které jsme syntetizovali, byly výraznou skupinou zvanou magnetit a maghemitu. Počáteční studie ukázaly, že nanočástice v této skupině by mohly Pomozte drogám dostat se do správné části tělaMake baterie v elektrických vozidlech efektivnější a zlepšit senzory pro detekci toxického plynu, jakož i zvuku a pohybu.

Protože tyto nanočástice jsou vyrobeny ze železa, jsou magnetické a stabilní. Jejich malá velikost jim dává velkou plochu povrchu vzhledem k jejich objemu, což jim umožňuje chytit znečišťující látky ve vodě. Navíc jejich magnetická povaha z nich činí ideální pro stavbu extrémně malých a tenkých elektrických součástí.

V naší práci jsme chtěli najít nový způsob, jak je vyrobit pomocí odpadních materiálů. V naší nejnovější studii, Publikováno v časopise RSC udržitelnostiVyvinuli jsme ekologickou metodu pro syntetizaci nanočástic oxidu železa z vypršených volně prodejných doplňků železa. Tento přístup nejen dává hodnotu vyřazené produkty, ale také podporuje udržitelnější a kruhovou metodu výroby.

Proces výzkumu

K provedení naší studie jsme použili metodu nazvanou Hydrotermální karbonizace Pro produkci těchto magnetických nanočástic. Podařilo se nám získat velké množství doplňků železa z místního zdravotní péče.

Proces hydrotermální karbonizace používá přeplňovanou verzi druhu tlakového vařiče, který byste mohli mít ve své kuchyni. Pro náš recept jsme kombinovali 20 gramů každého z doplňků železa a vody do specializovaného tlakového reaktoru. Poté jsme směs vařili při 527 stupních Fahrenheitu (275 stupňů Celsia) po dobu šesti až 12 hodin. Pod touto intenzivní teplotou a tlakem se doplňky zhroutily, což produkovalo malé- 10 až 11-nanometr- částice.

Koncový produkt zahrnoval pevný materiál podobný uhlí zvaný Hydrochar, který tvořil asi 20% až 22% produktu. Hydrochar sestával z nanočástic oxidu železa a grafitu, materiálu bohatého na uhlík, který poskytoval hydrochar jeho vzhledu podobným uhlí. Zbytek se stal plynem a tmavou, tartovou kapalinou oddělenou od hydrochar.

Hydrotermální karbonizace není jedinou metodou používanou k výrobě nanočástic oxidu železa. Existují i jiné konvenční metody, jako je koprecipitacekterý zahrnuje míchání chemikálií za vzniku pevných látek. Další metoda je Pyrolýzakde se materiály zahřívají v nepřítomnosti kyslíku. A konečně, zplyňováníkterý zahřívá materiály v přítomnosti kyslíku.

Tyto metody obvykle vyžadují vyšší energetický vstup, přibližně 1 292 až 1 832 stupňů Fahrenheita (700 až 1 000 ° C) nebo drsné chemikálie solí. Naproti tomu hydrotermální karbonizace, metoda, kterou jsme použili, je založena na vodě a může dojít při nízké teplotě.

Srovnali jsme využití energie hydrotermálního procesu karbonizace s jinými metodami a zjistili jsme, že má Nejnižší dopad na životní prostředí.

Od znečištěné vody po čištění

Nanočástice oxidu železa, které jsme vytvořili, jsou velmi užitečné pro úpravu vody. Jsou obzvláště dobré při odstraňování oleje a těžké kovy jako je olovo, kadmium, zinek a chrom z vody. Jedná se o znečišťující látky, o nichž je známo, že způsobují vážné zdravotní problémy, včetně rakoviny.

Můžete je buď smíchat se znečištěnou vodou, nebo nechat vodu projít skrz ně, podobně jako běžný filtr pro domácnost.

Abychom otestovali jejich výkon, smíchali jsme naše nanočástice oxidu železa ve vzorcích odpadních vod obsahujících barvivo methylenové modréSpolečná znečišťující látka v textilní a výrobní odpadní vodě. Zjistili jsme, že odstranili více než 95% barviva, a protože částice jsou magnetické, mohli bychom je odstranit z ošetřené vody pomocí magnetu, takže nečinili vodu.

V závislosti na typu znečišťujících látek ve vodě může být někdy nanočástice oxidu železa znovu použity poté, co jsou znovu zahřívány.

Pohybující se vpřed

Pro tuto studii jsme vytvořili malé množství těchto nanočástic v laboratoři. Na skládky se však odesílá velké množství železa. Patří mezi ně materiály, jako je ocelový kaly a kovové kousky. Teoreticky by tedy mohlo být v budoucnu vyrobeno mnoho dalších z těchto nanočástic. Pokud jsou vyrobeny v dostatečně velkém množství, mohly by tyto částice použít velké filtrační systémy vody a odpadních vod k léčbě mnohem většího množství vody.

Odpad na skládku však není jeden typ odpadu. Odpad bohatý na železo může být kontaminován jinými materiály, takže jeho získávání, třídění a recyklaci náročných na zdroje a nákladné. K udržitelnému rozšíření této technologie budou muset vědci tyto výzvy nejprve překonat.

Na světlé straně, Ekonomové předpovídají že alternativní kovy, včetně nanočástic oxidu železa, mohou pomoci splnit výrobní požadavky Budoucí technologie a Umělá inteligence. Tyto nanočástice lze použít k výrobě vysoce výkonných výpočetních komponent. Tyto komponenty zahrnují Ukládání magnetické paměti a polovodiče nalezeno v našich každodenních technologiích.

Spousta V současné době používané kritické kovy jsou drahé, vzácné nebo geopoliticky citlivé: kobalt, nikl a lithium. Výsledkem je, že náš tým začíná zkoumat, jak lze tuto metodu založenou na hydrotermální karbonizaci upravovat a aplikovat na jiné typy odpadních materiálů.

Naším dlouhodobým cílem je rozšířit soupravu nástrojů pro udržitelnou výrobu nanočástic a zároveň pokračovat v řešení environmentálních problémů a materiálových požadavků na budoucí inovace.

(Ahmed Ibrahim Yunus je kandidát na environmentální inženýrství, Georgia Institute of Technology. Joe Frank Bozeman III je asistentem asistenta občanského a environmentálního inženýrství a veřejné politiky, Georgia Institute of Technology)

(Tento článek je znovu publikován z konverzace na základě licence Creative Commons. Přečtěte si původní článek zde: https://theconversation.com/iron-nanompaticles-can-help-treat-kontaminovaná voda-team-of-Scientists-the-out-of-expired-Supplements-260364)

Publikováno – 10. srpna 2025 06:31