Nanopartikula hekuri mund të ndihmojnë në trajtimin e ujit të ndotur – ekipi ynë i shkencëtarëve i krijoi nga suplemente të skaduara

Sot, rreth 1,800,000 hektarë tokë në Shtetet e Bashkuara përdoren për hedhjen e mbeturinave në mbetje. Në terma volumetrik, SHBA vetë gjeneroi mbi 290 milionë tonë mbeturina të forta në vitin 2018, një sasi ekuivalente me rreth 235,000 pishina olimpike, duke supozuar një dendësi mesatare të mbeturinave të forta prej gjysmës së tonës për metër kubik.

Rreth 9% – rreth 26 milionë tonë – e kësaj mbeturine përbëhet nga hekuri dhe çeliku. Këto janë burime me vlerë të qëndrueshme në treg që përdoren në projekte të ndryshme infrastrukturale civile. Si ekip të inženierëve mjedisorë, ne dëshironim të dinim nëse mund të përdorim mbeturina të pasura me hekur për të prodhuar nanopjerrje të hekurit – një mjet i dobishëm për luftimin e ndotjes së ujit dhe ndërtimin e harduerëve inxhinierikë.

Të gjitha rreth nanopjerrjeve

Nanopjerrjet e hekurit oksid përbëhen nga atomë hekuri dhe oksigjeni dhe, për shkak të madhësisë së tyre, shfaqin vetësi unike fizike dhe kimike. Janë jashtëzakonisht të vogla, zakonisht në shkallën nano – një miliardta e një metri – në diametër.

Nanopartikulat e oksidit të hekurit që sintetizuam ishin një grup i veçantë i quajtur magnetit dhe maghemit. Studimet fillestare kanë treguar se nanopartikulat në këtë grup mund të ndihmojnë që ilaçet të shkojnë në pjesën e duhur të trupit, të bëjnë bateritë në automjetet elektrike më efikase dhe të përmirësojnë sensorët për të zbuluar gazrat toksikë, si dhe zëmin dhe lëvizjen.

Për shkak se këto nanopartikula janë bërë nga hekuri, ato janë tërheqëse magnetike dhe të qëndrueshme. Madhësia e tyre e vogël u jep atyre një sipërfaqe të madhe në raport me volumin e tyre, duke i lejuar të kapin ndotësit në ujë. Për më tepër, natyra e tyre magnetike i bën ato ideale për ndërtimin e komponentëve elektrikë shumë të vegjël dhe të hollë.

Në punën tonë, ne dëshironim të gjenim një mënyrë të re për t'i prodhuar ato duke përdorur materiale të riciklueshme. Në studimin tonë më të ri, i publikuar në revistën RSC Sustainability, zhvilluam një metodë miqësore me mjedisin për të sintetizuar nanopartikula të oksidit të hekurit nga suplementet e skaduara të hekurit pa recetë. Kjo qasje jo vetëm që jep vlerë produkteve të hedhura jashtë, por gjithashtu mbështet një metodë më të qëndrueshme dhe të qarkullueshme të prodhimit.

Procesi i kërkimit

Për të kryer studimin tonë, ne përdorëm një metodë të quajtur karbonizimi hidrotermal për të prodhuar këto nanopartikula magnetike. Ne arritëm të siguronim një sasi të madhe të suplementeve të skaduara të hekurit nga një qendër lokale shëndetësore.

Procesi i karbonizimit hidrotermal përdor një version turbo të llojit të tenxheres me presion që mund të keni në kuzhinë. Për recetën tonë, kombinuan 20 gramë suplementesh të skaduara të hekurit dhe ujë në një reaktor të specializuar nën presion. Pastaj, gatuam përzierjen në 527 gradë Fahrenheit (275 gradë Celsius) për gjashtë deri në 12 orë. Nën këtë temperaturë dhe presion të lartë, suplementet u shkrinë, duke prodhuar grimca shumë të vogla – 10 deri në 11 nanometra –.

Produkti përfundimtar përfshinte një material të ngjashëm me drurë të djegur të quajtur hidrochar, i cili përbënte rreth 20% deri në 22% të produktit. Hydrochar përbëhej nga nanopartikulat e oksidit të hekurit dhe grafiti, një material i pasur me karbon që i jep hidrocharit pamjen e drurit të djegur. Resti u kthye në gaz dhe një lëng i errët, i ngjashëm me tar, i cili ndahej nga hydrochar-i.

Karbonizimi hidrotermal nuk është metoda e vetme që përdoret për të bërë nanopërçues të oksidit të hekurit. Ekzistojnë metoda të tjera konvencionale si coprecipitimi, i cili përfshin përzierjen e kimikateve për të formuar grimca të ngurta. Një metodë tjetër është pirroliza, ku materialet ngrohen në mungesë të oksigjenit. Dhe së fundmi, gazitimi, i cili ngroh materialet në prani të oksigjenit.

Këto metoda zakonisht kërkojnë një input më të lartë energjie, rreth 1,292 deri në 1,832 gradë Fahrenheit (700 deri në 1,000 C), ose kimikate të forta të kripura. Në kontrast, karbonizimi hidrotermal, metoda që ne përdorëm, është bazuar në ujë dhe mund të ndodhë në një temperaturë të ulët.

Ne krahasuam përdorimin e energjisë në procesin tonë të karbonizimit hidrotermal me metoda të tjera dhe gjetëm se ai kishte ndikimin më të ulët në mjedis.

Nga uji i ndotur te uji i pastër

Nanopartikulat e oksidit të hekurit që krijuam janë shumë të dobishme për trajtimin e ujit. Ato janë veçanërisht të mira në largimin e vajit dhe metaleve të rënda si plumbi, kadmiumi, zinku dhe kromi nga uji. Këto janë ndotës që njihen për shkaktimin e problemeve të rënda shëndetësore, duke përfshirë kancerin.

Ju mund t’i përzieni ato me ujin e ndotur ose t’u lini ujit të kalojë përmes tyre, të ngjashëm me një filtër të zakonshëm shtëpiak.

Për të testuar performancën e tyre, ne përzienim nanopartikulat tona të oksidit të hekurit në mostra uji të ndotura që përmbajnë ngjyrën metilene blu, një ndotës i zakonshëm në ujërat e mbetjeve të tekstilit dhe prodhimit. Ne zbuluam se ato larguan mbi 95% të ngjyrës, dhe për shkak se grimcat janë magnetike, ne mund t’i largonim ato nga uji i trajtuar duke përdorur një magnet në mënyrë që ato të mos kontaminonin ujin.

Në varësi të llojit të ndotësve në ujin, nanopërbërjet e oksidit të hekurit mund të ripërdoren ndonjëherë pas ngrohjes së tyre përsëri.

Drejt përpara

Ne prodhuam një sasi të vogël të këtyre nanopërbërjeve në laborator për këtë studim. Megjithatë, sasi të mëdha të mbetjeve të hekurit dërgohen në mbeturina. Këto përfshijnë materiale të tilla si mbeturina çeliku dhe copëza metali. Pra, në teori, shumë më shumë këto nanopërbërje mund të prodhohen në të ardhmen. Nëse prodhohen në sasi të mjaftueshme, sistemet e filtrimit të ujit dhe ujërave të ndotura mund të përdorin këto grimca për të trajtuar shumë sasi më të mëdha të ujit.

Por, mbetjet nga mbetjet e mbeturinave nuk janë të gjitha një lloj të vetëm të mbetjeve. Mbetjet e pasura me hekur mund të jenë të ndotura me materiale të tjera, duke e bërë burimin, sortimin dhe riciklimin e tyre të burimorisht të kushtueshëm dhe të shtrenjtë. Për të rritur shkallën e përdorimit të kësaj teknologjie në mënyrë të qëndrueshme, kërkuesit do të duhet të kapërcejnë së pari këto sfida.

Nga ana pozitive, ekonomistët parashikojnë se metale alternative, duke përfshirë nanopartikulat e oksidit të hekurit, mund të ndihmojnë për të përmbushur kërkesat e prodhimit për teknologjitë e ardhshme dhe inteligjencën artificiale. Këto nanopartikula mund të përdoren për të prodhuar komponentë të performancës së lartë të kompjuterëve. Këto komponentë përfshijnë ruajtjen e memories magnetike dhe semikonduktorët që gjenden në teknologjitë tona të përditshme.

Shumica e metaleve kritike që përdoren aktualisht janë të shtrenjta, të rralla ose sensitive gjeopolitikisht: kobalti, nikeli dhe litiumi. Si rezultat, ekipi ynë po fillon të eksplorojë se si mund të shkallëzohet dhe aplikohet kjo metodë bazuar në karbonizimin hidrotermal për lloje të tjera të materialeve të mbeturinave.

Qëllimi ynë afatgjatë është të zgjerojmë setin e mjeteve për prodhimin e qëndrueshëm të nanopartikullave duke vazhduar të adresojmë sfidat mjedisore dhe kërkesat për materiale për inovacionet e ardhshme.