Het afvalwater van de een is de schat van de ander. Een nieuwe studie van de Stanford University maakt de weg vrij voor de winning van afvalwater voor waardevolle materialen die worden gebruikt in meststoffen en batterijen die op een dag smartphones en vliegtuigen zouden kunnen aandrijven. De analyse, onlangs gepubliceerd in ACS ES&T Engineering , onthult hoe elektrische processen kunnen worden geoptimaliseerd voor het transformeren van zwavelvervuiling, en kan helpen leiden tot betaalbare, door hernieuwbare energie aangedreven afvalwaterzuivering die drinkbaar water creëert.

"We zijn altijd op zoek naar manieren om de cirkel rond chemische productieprocessen te sluiten", zegt hoofdauteur Will Tarpeh, een assistent-professor chemische technologie aan Stanford. "Zwavel is een essentiële elementaire cyclus met ruimte voor verbeteringen bij het efficiënt omzetten van zwavelverontreinigende stoffen in producten zoals kunstmest en batterijcomponenten."

Een betere oplossing

Nu de zoetwatervoorziening slinkt, met name in droge gebieden, is de focus toegenomen op het ontwikkelen van technologieën die afvalwater omzetten in drinkbaar water. Membraanprocessen die anaërobe of zuurstofvrije omgevingen gebruiken om afvalwater te filteren, zijn bijzonder veelbelovend omdat ze relatief weinig energie vergen. Deze processen produceren echter sulfide, een verbinding die giftig, bijtend en onwelriekend kan zijn. Strategieën om dat probleem aan te pakken, zoals chemische oxidatie of het gebruik van bepaalde chemicaliën om de zwavel om te zetten in scheidbare vaste stoffen, kunnen bijproducten genereren en chemische reacties veroorzaken die leidingen aantasten en het moeilijker maken om het water te desinfecteren.

Een verleidelijke oplossing voor het omgaan met de sulfide-output van anaërobe filtratie ligt in het omzetten van het sulfide in chemicaliën die worden gebruikt in kunstmest en kathodemateriaal voor lithium-zwavelbatterijen, maar de mechanismen om dit te doen zijn nog steeds niet goed begrepen. Dus gingen Tarpeh en zijn collega's op zoek naar een kosteneffectieve aanpak die geen chemische bijproducten zou creëren.

De onderzoekers concentreerden zich op elektrochemische zwaveloxidatie, die een lage energie-input vereist en een nauwkeurig afgestemde controle van de uiteindelijke zwavelproducten mogelijk maakt. Terwijl sommige producten, zoals elementaire zwavel, zich op elektroden kunnen afzetten en chemische reacties kunnen vertragen, kunnen andere, zoals sulfaat, gemakkelijk worden opgevangen en hergebruikt. Als het effectief zou werken, zou het proces kunnen worden aangedreven door hernieuwbare energie en aangepast om afvalwater te behandelen dat wordt verzameld uit individuele gebouwen of hele steden.

Door nieuw gebruik te maken van scanning elektrochemische microscopie - een techniek die microscopische snapshots van elektrode-oppervlakken mogelijk maakt terwijl reactoren in bedrijf zijn - kwantificeerden de onderzoekers de snelheden van elke stap van elektrochemische zwaveloxidatie, samen met de soorten en hoeveelheden gevormde producten. Ze identificeerden de belangrijkste chemische barrières voor zwavelterugwinning, inclusief vervuiling van de elektroden en welke tussenproducten het moeilijkst om te zetten zijn. Ze ontdekten onder meer dat variërende bedrijfsparameters, zoals de reactorspanning, laagenergetische zwavelterugwinning uit afvalwater kunnen vergemakkelijken.

Deze en andere inzichten verduidelijkten de afwegingen tussen energie-efficiëntie, sulfideverwijdering, sulfaatproductie en tijd. Met hen schetsten de onderzoekers een kader om het ontwerp van toekomstige elektrochemische sulfide-oxidatieprocessen te informeren die de energie-input, de verwijdering van verontreinigende stoffen en de terugwinning van hulpbronnen in evenwicht houden. Met het oog op de toekomst zou de zwavelterugwinningstechnologie ook kunnen worden gecombineerd met andere technieken, zoals het terugwinnen van stikstof uit afvalwater om ammoniumsulfaatmest te produceren. Het Codiga Resource Recovery Center, een zuiveringsinstallatie op proefschaal op de campus van Stanford, zal waarschijnlijk een grote rol spelen bij het versnellen van het toekomstige ontwerp en de implementatie van deze benaderingen.

"Hopelijk zal deze studie helpen bij het versnellen van de acceptatie van technologie die vervuiling vermindert, waardevolle hulpbronnen terugwint en tegelijkertijd drinkwater creëert", zegt hoofdauteur Xiaohan Shao, een Ph.D. student civiele techniek en milieutechniek aan Stanford.

Tarpeh is ook een assistent-professor (met dank aan) van civiele en milieutechniek, een center fellow (met dank aan) van het Stanford Woods Institute for the Environment, een gelieerde wetenschapper aan Stanford's Program on Water, Health and Development, en een lid van Stanford Bio-X. Aanvullende auteur Sydney Johnson was ten tijde van het onderzoek een student in chemische technologie aan Stanford.