Waterfiltratie is essentieel voor het behoud van de volksgezondheid. Het vermogen om te zien hoe hardnekkige verontreinigingen zoals schadelijke bacteriën, microverontreinigingen, en microplastics gedragen zich op atomaire schaal kunnen ingenieurs in staat stellen verbeterde filters te maken voor effectievere waterbehandelingsmethoden.

De Europese Spallation Source (ESS), momenteel in aanbouw in Lund, Zweden, is ingesteld om in 2023 open te gaan voor gebruikers. ESS-wetenschapper Monika Hartl en haar medewerkers bij Swedish Water Research gebruiken neutronen in het Oak Ridge National Laboratory (ORNL) van het Department of Energy (DOE's) om te bestuderen hoe bisfenol A (BPA), een chemische stof die wordt gebruikt in kunststoffen, interageert met waterfilters.

BPA is een belangrijk onderdeel van een duidelijke, moeilijk, onbreekbaar plastic genaamd polycarbonaat dat veel wordt gebruikt in veiligheidsproducten en consumptiegoederen. Omdat polycarbonaat ontleedt in water, BPA kan vrijkomen in het milieu, waar studies hebben aangetoond dat BPA-consumptie, vaak een gevolg van waterverontreiniging, kan een negatieve invloed hebben op de plant, dier, en zelfs de menselijke gezondheid. Door deze verontreiniging uit de watervoorziening te filteren, kunnen de negatieve effecten op het milieu worden verminderd en tegelijkertijd eventuele negatieve effecten op de menselijke gezondheid worden geminimaliseerd of geëlimineerd.

Industriële zand- en kleifilters worden vaak vroeg in het waterfiltratieproces gebruikt voordat meer geavanceerde zuiveringsmethoden zoals chloorbehandeling worden toegepast. Het zand dat voor het filteren wordt gebruikt, heeft microporeuze structuren die verontreinigingen uit het water kunnen adsorberen, en kleisoorten hebben gelaagde structuren met vergelijkbare mogelijkheden.

Met behulp van het VISION-instrument, bundellijn 16B bij ORNL's Spallation Neutron Source (SNS), Hartl en haar medewerkers uit de Zweedse waterindustrie kunnen neutronenverstrooiing gebruiken om te zien hoe de BPA de oppervlakken van de filtermaterialen beïnvloedt en dus hun effectiviteit bij het adsorberen van moleculen op atomair niveau.

“We kijken hoe we met zand- en kleifilters plastic afbraakproducten uit het water kunnen halen. we proberen erachter te komen hoe BPA interageert met kleistructuren en zandstructuren, ’ zei Hartl.

Neutronen zijn niet-destructief en kunnen diep doordringen in materialen zoals zand en klei, in tegenstelling tot vergelijkbare onderzoeksmethoden. Hun gevoeligheid voor waterstof maakt ze ideaal voor studies met water, speciaal voor het bestuderen van water in ondoorzichtige en moeilijk doordringbare structuren.

"Met neutronen, u kunt gemakkelijk door het filter dringen en u kunt de BPA in het materiaal zien, ' zei Hartl.

"Er is een geweldig team op VISION, en ze hebben een goed uitgerust gebruikerslab waar ik een breed scala aan monsters kan voorbereiden met veel opties om de kwaliteit van mijn monsters te bevestigen voordat ze in de bundellijn worden geplaatst. Als ik iets moet wijzigen tijdens het experiment, Ik kan mijn materialen in het gebruikerslab controleren in plaats van straaltijd te verspillen, " zei Hartel, die momenteel soortgelijke gebruikerslaboratoria voor de ESS plant.

"Chemielaboratoria zijn erg belangrijk voor neutronenverstrooiing. Het vermogen om monsters voor te bereiden en te karakteriseren bij neutronenbronnen is essentieel geworden, vooral voor wateronderzoek."

Met behulp van de gegevens van dit experiment, Hartl kan identificeren hoe de filtermaterialen de BPA adsorberen, en welke constructies en materialen beter presteren dan andere, om verbeterde waterfilters te ontwikkelen die langer meegaan en beter presteren.

"Als we erachter komen hoe water en bisfenol interageren met de filters, we kunnen dan leren hoe we het filter kunnen aanpassen om het bisfenol beter te verwijderen, wat erg handig zou zijn voor waterplanten, ' zei Hartl.

Dit werk wordt ondersteund als een "industrieel proefproject voor neutronen- en fotonenexperimenten op grootschalige onderzoeksinfrastructuren" door het Zweedse financieringsagentschap Vinnova (projectnummer 2018-03264). De partners in dit project zijn Dr. Alfredo Gonzalez-Perez, onderzoeksgroepleider en projectcoördinator van de Swedish Water Research AB; Prof. Kenneth Persson, hoofd onderzoek Sydvatten AB; en Monika Hartl.