Использование отходов для производства наночастиц
Сегодня в Соединённых Штатах около 1 800 000 акров земли используются для размещения мусорных свалок. Только в США в 2018 году было произведено более 290 миллионов тонн твёрдых отходов, что эквивалентно примерно 235 000 бассейнам олимпийского размера, если учесть среднюю плотность твёрдых отходов в полтонны на кубический метр.
Примерно 9% этих отходов, около 26 миллионов тонн, составляют железо и сталь. Эти ресурсы имеют стабильную рыночную стоимость и используются в различных проектах гражданской инфраструктуры.
Мы, команда инженеров-экологов, хотели выяснить, можно ли использовать отходы, богатые железом, для производства наночастиц оксида железа — полезного инструмента для борьбы с загрязнением воды и создания инженерных компонентов.
Наночастицы оксида железа
Наночастицы оксида железа состоят из атомов железа и кислорода. Из-за своего размера они обладают уникальными физическими и химическими свойствами. Они чрезвычайно малы, обычно имеют размер нанометра — одну миллиардную часть метра — в диаметре.
Наночастицы оксида железа, которые мы синтезировали, относятся к особой группе, называемой магнетитом и маггемитом. Первоначальные исследования показали, что наночастицы в этой группе могут помогать лекарствам достигать нужных частей тела, делать батареи в электромобилях более эффективными и улучшать датчики для обнаружения токсичных газов, а также звука и движения.
Поскольку эти наночастицы сделаны из железа, они одновременно магнитны и стабильны. Их крошечный размер даёт им большую площадь поверхности относительно объёма, что позволяет им улавливать загрязнители в воде. Кроме того, их магнитные свойства делают их идеальными для создания чрезвычайно маленьких и тонких электрических компонентов.
Новый метод производства
В нашей работе мы хотели найти новый способ их производства, используя отходы. В нашем последнем исследовании, опубликованном в журнале RSC Sustainability, мы разработали экологически чистый метод синтеза наночастиц оксида железа из просроченных безрецептурных добавок, содержащих железо.
Этот подход не только придаёт ценность выброшенным продуктам, но и поддерживает более устойчивый и круговой метод производства.
Для проведения нашего исследования мы использовали метод, называемый гидротермальной карбонизацией, для производства этих магнитных наночастиц. Мы смогли получить большое количество просроченных добавок, содержащих железо, из местного медицинского центра.
Процесс гидротермальной карбонизации использует версию скороварки под давлением. Для нашего рецепта мы смешали по 20 граммов просроченных добавок, содержащих железо, и воды в специализированном реакторе высокого давления. Затем мы готовили смесь при температуре 527°F (275°C) в течение шести–двенадцати часов. При такой высокой температуре и давлении добавки разрушались, в результате чего образовывались крошечные частицы размером от 10 до 11 нанометров.
Конечный продукт включал твёрдый материал, похожий на древесный уголь, называемый гидрочаром, который составлял около 20–22% продукта. Гидрочар состоял из наночастиц оксида железа и графита, богатого углеродом материала, который придавал гидрочару его вид, похожий на древесный уголь. Остальное превратилось в газ и тёмную, смолоподобную жидкость, отделённую от гидрочара.
Гидротермальная карбонизация — не единственный метод производства наночастиц оксида железа. Существуют и другие традиционные методы, такие как соосаждение, которое включает смешивание химических веществ для образования твёрдых веществ. Другой метод — пиролиз, при котором материалы нагревают в отсутствие кислорода. И, наконец, газификация, при которой материалы нагревают в присутствии кислорода.
Эти методы обычно требуют более высоких затрат энергии или использования агрессивных химических веществ. В отличие от этого, гидротермальная карбонизация, метод, который мы использовали, основана на воде и может происходить при низкой температуре.
Мы сравнили энергозатраты нашего процесса гидротермальной карбонизации с другими методами и обнаружили, что он имеет наименьшее воздействие на окружающую среду.
Наночастицы оксида железа, которые мы создали, очень полезны для очистки воды. Они особенно хороши для удаления нефти и тяжёлых металлов, таких как свинец, кадмий, цинк и хром из воды. Эти загрязнители, как известно, вызывают серьёзные проблемы со здоровьем, включая рак.
Вы можете смешать их с загрязнённой водой или пропустить воду через них, подобно обычному домашнему фильтру.
Для проверки их эффективности мы смешали наши наночастицы оксида железа с образцами сточных вод, содержащими метиленовый синий краситель, распространённый загрязнитель в текстильной и производственной сточных водах. Мы обнаружили, что они удаляют более 95% красителя, а поскольку частицы магнитны, мы можем удалить их из очищенной воды с помощью магнита, чтобы они не загрязняли воду.
В зависимости от типа загрязнителей в воде, наночастицы оксида железа иногда можно использовать повторно после повторного нагрева.
Мы произвели небольшое количество этих наночастиц в лаборатории для этого исследования. Однако большое количество железных отходов отправляется на свалки. В теории, в будущем можно будет производить гораздо больше таких наночастиц. Если их производить в достаточно больших количествах, крупные системы фильтрации на водоочистных сооружениях смогут использовать эти частицы для очистки гораздо больших объёмов воды.
Но отходы на свалках — это не все отходы одного типа. Отходы, богатые железом, могут быть загрязнены другими материалами, что делает их сбор, сортировку и переработку ресурсоёмкими и дорогостоящими. Чтобы масштабировать эту технологию устойчиво, исследователям необходимо сначала преодолеть эти проблемы.
С другой стороны, экономисты прогнозируют, что альтернативные металлы, включая наночастицы оксида железа, могут помочь удовлетворить производственные потребности будущих технологий и искусственного интеллекта. Эти наночастицы можно использовать для производства высокопроизводительных вычислительных компонентов. К таким компонентам относятся устройства хранения магнитной памяти и полупроводники, которые используются в наших повседневных технологиях.