(PhysOrg.com) -- Ingenieurs gebruiken geavanceerde beeldvormingstechnieken om bimetalen materialen te onderzoeken die meer dan 50 giftige afvallocaties hebben gesaneerd.

IJzer nanodeeltjes 1, 000 keer dunner dan een mensenhaar hebben een ongekend vermogen aangetoond om verontreinigd grondwater te reinigen sinds ze 10 jaar geleden in Lehigh werden uitgevonden.

De met palladium gecoate deeltjes hebben in een tiende van de tijd meer dan 50 giftige afvallocaties in de VS en andere landen gesaneerd, en op een veel grotere schaal, dan traditionele "pump and treat"-methoden.

Nutsvoorzieningen, dankzij de ongeëvenaarde elektronenmicroscopie- en spectroscopiefaciliteiten van Lehigh, onderzoekers hebben ongeëvenaarde inzichten gekregen die de efficiëntie kunnen verbeteren en de toepassingen van de krachtige nanodeeltjes kunnen uitbreiden.

De onderzoekers gebruikten scanning transmissie-elektronenmicroscopie (STEM) en röntgenenergie-dispersieve spectroscopie (XEDS) om vast te leggen, Voor de eerste keer, de evolutie in de nanostructuur van de bimetaaldeeltjes bij het verwijderen van verontreinigingen in water.

De geavanceerde beeldvormingsinstrumenten bij Lehigh legden verbazingwekkende details vast van de reacties in nanodeeltjes. Omdat ze reageren met verontreinigende stoffen zoals trichlooretheen (TCE), een giftig industrieel oplosmiddel, de nanodeeltjes vertonen enorme structurele veranderingen. De deeltjeskern holt uit, het ijzer diffundeert naar buiten, en het palladium, een katalysator die 1 procent van de deeltjesmassa uitmaakt, migreert van het buitenoppervlak naar het binnenoppervlak van het strijkijzer.

Schrijven eerder deze maand in Milieuwetenschap en -technologie ( EST ), het belangrijkste tijdschrift in zijn vakgebied, de Lehigh-onderzoekers rapporteerden dat het vermogen van de nanodeeltjes om gifstoffen te verwijderen afneemt naarmate de deeltjes "verouderen" en structurele veranderingen ondergaan bij blootstelling aan water.

hun resultaten, Zij schreven, suggereren dat de leeftijd en opslagomgeving van de nanodeeltjes een cruciale rol spelen bij het beïnvloeden van hun effectiviteit als saneringsmiddelen.

Klein maar machtig

Het ES&T-artikel, getiteld "Structurele evolutie van Pd-gedoteerde nanoschaal Zero-Valent Iron (nZVI) in waterige media en implicaties voor veroudering en reactiviteit van deeltjes, ” is geschreven door Weile Yan, een doctoraat kandidaat in civiele en milieutechniek, met Andrew Herzing '07 Ph.D., een materiaalonderzoeksingenieur bij het National Institute of Standards and Technology; Xiao Qin Li, die een Ph.D. in civiele en milieutechniek in 2008; Christoffel Kiely, hoogleraar materiaalkunde en techniek; en Wei-xian Zhang, hoogleraar civiele techniek en milieutechniek.

De nanodeeltjes, die zijn uitgevonden door Zhang, gemiddelde diameter van 50 nanometer (1 nm is gelijk aan een miljardste van een meter). Eilanden palladium op het buitenoppervlak van het ijzer hebben een diameter van 2 tot 5 nm. De deeltjes hebben pesticiden verwijderd, vinylchloride, TCE en andere verontreinigingen in 10 staten en in Europa en Azië. Behandelde locaties zijn onder meer stortplaatsen, een elektronicafabriek, chemische fabrieken en militaire faciliteiten.

Bij injectie in grondwater, de nanodeeltjes stromen met het water mee en reageren met en ontgiften verontreinigingen. Hun kleine formaat en groter proportioneel oppervlak geven ze meer reactiviteit met toxines dan grotere hoeveelheden van dezelfde katalysator.

Deze superieure reactiviteit, zegt Harch Gill, voorzitter van Lehigh Nanotech LLC, een bedrijf in Bethlehem dat de commerciële rechten op de deeltjes bezit, stelt de deeltjes in staat om in minder dan een jaar een giftige locatie te saneren, vergeleken met de 10 tot 20 jaar die nodig zijn voor pump-and-treat-methoden.

En volgens de Vereniging van Universitaire Technologiemanagers, waarin Lehigh Nanotech in 2008 werd uitgeroepen tot een van de top 25 van technologiesamenwerkingsverhalen "het kost slechts zes ons van de kleine nanomaterialen, versus een ton grotere verbindingen, ingrijpende veranderingen door te voeren bij het opruimen van vervuilde omgevingen.”

Als resultaat, zegt Zhang, de nanodeeltjes zijn nu een van 's werelds meest gebruikte nanomaterialen.

Een nieuwe focus

Jan, die de nanodeeltjes sinds 2007 heeft bestudeerd, zegt dat de experimentele resultaten onderzoekers zullen helpen betere methoden te ontwikkelen voor het hanteren en opslaan van de deeltjes, en het verzamelen en hergebruiken van het palladium nadat het verontreinigingen heeft geneutraliseerd. Palladium, gebruikt in katalysatoren, elektronische apparaten en brandstofcellen, is een zeldzaam en vaak duur metaal.

De resultaten kunnen ook worden gebruikt om het vermogen van op ijzer gebaseerde nanodeeltjes om toxines van zware metalen op verontreinigde locaties op te vangen en te verwijderen, te verbeteren. zegt Jan.

“Dit document is slechts een startpunt, " ze zegt. “Met dezelfde reeks tools, we kunnen metaalsoorten en nZVI bestuderen om te leren hoe zware metalen worden opgevangen door nZVI, waar ze op elkaar inwerken en waar de eindbestemming van de zware metalen binnen het nZVI ligt.”

Het onderzoek van de groep, zegt Jan, werd mogelijk gemaakt door het feit dat Lehigh het grootste elektronenmicroscopielaboratorium in de VS heeft. De aberratie-gecorrigeerde STEM die door het team van Yan wordt gebruikt, lost beelden op tot 0,1 nm terwijl de chemische samenstelling in deze kleine "pixel" van een monster wordt geïdentificeerd. In combinatie met XEDS, het stelde de onderzoekers in staat om het oppervlak en het interieur van het ijzeren nanodeeltje in kaart te brengen, zoek de eilanden van palladium, en volg de infiltratie van het palladium naar het inwendige van de deeltjes. De groep gebruikte ook röntgenfoto-elektronspectroscopie (XPS) om de veranderingen in de chemische eigenschappen van de nanodeeltjes te onderzoeken.

De instrumenten stelden de groep in staat haar onderzoek op een nieuwe manier te benaderen, zegt Jan.

“De traditionele manier om milieuonderzoek te doen, is door de verontreinigingen in water te onderzoeken om er zeker van te zijn dat ze worden weggevaagd. " ze zei. “We pakken het anders aan door in de behandelaar te kijken wat ermee gebeurt en hoe de sanering daadwerkelijk plaatsvindt.”

Yan zal een presentatie geven over het onderzoek van de groep aan de Environmental Chemical Division van de American Chemical Society op de jaarlijkse conferentie van ACS in augustus in Boston.