Nanopartículas de ferro criadas a partir de suplementos vencidos podem ajudar a tratar a água contaminada

Hoje, aproximadamente 1.800.000 acres de terra nos Estados Unidos é usado para o descarte de resíduos de aterros sanitários. Em termos de quantity, apenas os EUA geraram Mais de 290 milhões de toneladas de resíduos sólidos Em 2018, uma quantidade equivalente a cerca de 235.000 piscinas olímpicas, assumindo uma densidade média de resíduos sólidos de meia tonelada por metro cúbico.

Aproximadamente 9% – cerca de 26 milhões de toneladas – deste resíduo é composto de ferro e aço. Esses são recursos com um valor de mercado estável usado em vários projetos de infraestrutura civil. Como uma equipe de Engenheiros Ambientaisqueríamos saber se poderíamos usar resíduos ricos em ferro para produzir Nanopartículas de óxido de ferro– uma ferramenta útil para combater Poluição da água e construção de {hardware} de engenharia.

Tudo sobre nanopartículas

Nanopartículas de óxido de ferro consistem em átomos de ferro e oxigênio e, devido ao seu tamanho, eles exibem propriedades físicas e químicas únicas. Eles são extremamente pequenos, normalmente na nanoescala-um bilhão de um metro-em diâmetro.

As nanopartículas de óxido de ferro que sintetizamos foram um grupo distinto chamado magnetita e maghemita. Estudos iniciais mostraram que as nanopartículas deste grupo poderiam Ajuda as drogas a chegar à parte certa do corpofazer baterias em veículos elétricos mais eficiente e melhorar os sensores Para detectar gás tóxico, bem como som e movimento.

Como essas nanopartículas são feitas de ferro, são magnéticas e estáveis. Seu tamanho minúsculo lhes dá uma grande área de superfície em relação ao seu quantity, permitindo que eles pegassem poluentes na água. Além disso, sua natureza magnética os torna ideais para construir componentes elétricos extremamente pequenos e finos.

Em nosso trabalho, queríamos encontrar uma nova maneira de produzi -los usando resíduos. Em nosso mais novo estudo, publicado no Sustentabilidade RSC Journal, desenvolvemos um método ecológico para sintetizar nanopartículas de óxido de ferro a partir de suplementos de ferro vencidos sem receita. Essa abordagem não apenas agrega valor aos produtos descartados, mas também suporta um método de produção mais sustentável e round.

O processo de pesquisa

Para conduzir nosso estudo, usamos um método chamado Carbonização hidrotérmica Para produzir essas nanopartículas magnéticas. Conseguimos obter uma grande quantidade de suplementos de ferro expirados de um centro de saúde native.

O processo de carbonização hidrotérmica usa uma versão turbo do tipo de panela de pressão que você pode ter em sua cozinha. Para nossa receita, combinamos 20 gramas, cada um dos suplementos de ferro expirado e água em um reator de pressão especializado. Em seguida, cozinhamos a mistura a 527 ° F (275 ° C) por seis a 12 horas. Sob essa intensa temperatura e pressão, os suplementos quebraram, que produziram partículas minúsculas- 10 a 11 nanômetro-.

O produto last incluiu um materials sólido semelhante a carvão chamado hidrocinar, que representava cerca de 20% a 22% do produto. O hidrocinar consistia nas nanopartículas e grafite de óxido de ferro, um materials rico em carbono que deu ao hidrocinar sua aparência semelhante a carvão. O restante tornou-se gás e um líquido escuro, semelhante a alcatrão, separado do hidrocinar.

A carbonização hidrotérmica não é o único método usado para fazer nanopartículas de óxido de ferro. Existem outros métodos convencionais, como coprecipitaçãoque envolve a mistura de produtos químicos para formar sólidos. Outro método é piróliseonde os materiais são aquecidos na ausência de oxigênio. E finalmente, gaseificaçãoque aquece materiais na presença de oxigênio.

Esses métodos geralmente requerem uma entrada de energia mais alta, em torno de 1.292 a 1.832 ° F (700 a 1.000 ° C) ou produtos químicos de sal advertido. Por outro lado, a carbonização hidrotérmica, o método que usamos, é à base de água e pode ocorrer a uma temperatura baixa.

Comparamos o uso de energia do processo de carbonização hidrotérmica com outros métodos e descobrimos que ele tinha o menor impacto ambiental.

De água poluída para limpar

As nanopartículas de óxido de ferro que criamos são muito úteis para o tratamento de água. Eles são particularmente bom em remover óleo e metais pesados como chumbo, cádmio, zinco e cromo da água. Estes são poluentes conhecidos por causar sérios problemas de saúde, incluindo câncer.

Você pode misturá -los com água poluída ou permitir que a água passe por eles, semelhante a um filtro doméstico comum.

Para testar seu desempenho, misturamos nossas nanopartículas de óxido de ferro em amostras de águas residuais contendo Dye azul de metilenoum poluente comum em águas residuais têxteis e fabricantes. Descobrimos que eles removeram mais de 95% do corante e, como as partículas são magnéticas, poderíamos removê -los da água tratada usando um ímã para que não contaminassem a água.

Dependendo do tipo de poluente na água, as nanopartículas de óxido de ferro às vezes podem ser reutilizados depois que eles são aquecidos novamente.

Avançando

Produzimos uma pequena quantidade dessas nanopartículas no laboratório para este estudo. No entanto, grandes quantidades de resíduos de ferro são enviadas para aterros sanitários. Isso inclui materiais como lodo de aço e restos de metallic. Assim, em teoria, muitas outras nanopartículas podem ser produzidas no futuro. Se produzidos em quantidades grandes o suficiente, os sistemas de filtração de plantas de água e águas residuais grandes poderiam usar essas partículas para tratar quantidades muito maiores de água.

Mas o desperdício de aterro não é todo um tipo de desperdício. Os resíduos ricos em ferro podem ser contaminados com outros materiais, tornando sua fornecimento, classificação e reciclagem tanto com recursos e caros. Para aumentar essa tecnologia de forma sustentável, os pesquisadores precisarão primeiro superar esses desafios.

Pelo lado positivo, Os economistas prevêem que metais alternativos, incluindo nanopartículas de óxido de ferro, podem ajudar a atender às demandas de produção para Tecnologias futuras e inteligência synthetic. Essas nanopartículas podem ser usadas para fabricar componentes de computação de alto desempenho. Esses componentes incluem Armazenamento de memória magnética e semicondutores encontrado em nossas tecnologias cotidianas.

Muito do metais críticos atualmente usados são caros, escassos ou geopoliticamente sensível: cobalto, níquel e lítio. Como resultado, nossa equipe está começando a explorar como esse método hidrotérmico baseado em carbonização pode ser dimensionado e aplicado a outros tipos de Resíduos.

Nosso objetivo a longo prazo é expandir o equipment de ferramentas para a produção sustentável de nanopartículas, continuando a atender aos desafios ambientais e demandas de materiais por inovações futuras.

Este artigo é republicado de A conversa sob uma licença Artistic Commons. Leia o Artigo authentic.