Mensen weten al sinds de oudheid dat zilver veel micro-organismen doodt of de groei stopt. Hippocrates, de vader van de geneeskunde, zou zilverpreparaten hebben gebruikt voor de behandeling van zweren en genezende wonden. Tot de introductie van antibiotica in de jaren 40, colloïdaal zilver (kleine deeltjes gesuspendeerd in een vloeistof) was een steunpilaar voor de behandeling van brandwonden, geïnfecteerde wonden en zweren. Zilver wordt vandaag de dag nog steeds gebruikt in wondverbanden, in crèmes en als coating op medische hulpmiddelen.

Sinds de jaren 1990, fabrikanten hebben zilveren nanodeeltjes toegevoegd aan tal van consumentenproducten om hun antibacteriële en anti-geureigenschappen te verbeteren. Voorbeelden zijn kleding, handdoeken, onderkleding, sokken, tandpasta en zacht speelgoed. Nanodeeltjes zijn ultrakleine deeltjes, met een diameter van 1 tot 100 nanometer - te klein om zelfs met een microscoop te zien. Volgens een veel geciteerde database, ongeveer een kwart van de consumentenproducten op basis van nanomaterialen die momenteel in de Verenigde Staten op de markt worden gebracht, bevat nanozilver.

Meerdere onderzoeken hebben aangetoond dat nanozilver uit textiel lekt wanneer het wordt gewassen. Uit onderzoek blijkt ook dat nanozilver giftig kan zijn voor mensen en voor water- en mariene organismen. Hoewel het veel gebruikt wordt, er is weinig bekend over het lot of de toxische effecten op de lange termijn in het milieu.

We ontwikkelen manieren om deze potentiële ecologische crisis om te zetten in een kans door puur zilveren nanodeeltjes te recupereren, die veel industriële toepassingen hebben, uit waswater. In een recent gepubliceerde studie, we beschrijven een techniek voor zilverwinning en bespreken de belangrijkste technische uitdagingen. Onze aanpak pakt dit probleem bij de bron aan – in dit geval individuele wasmachines. Wij geloven dat deze strategie veelbelovend is om nieuw geïdentificeerde verontreinigingen uit afvalwater te halen.

Een textiel zilveren lode

Het gebruik van nanozilver in consumentenproducten is het afgelopen decennium gestaag toegenomen. Het marktaandeel van textiel op zilverbasis steeg van 9 procent in 2004 naar 25 procent in 2011.

Verschillende onderzoekers hebben het zilvergehalte van textiel gemeten en waarden gevonden variërend van 0,009 tot 21, 600 milligram zilver per kilogram textiel. Studies tonen aan dat de hoeveelheid zilver die in de wasoplossing wordt uitgeloogd afhangt van vele factoren, inclusief interacties tussen wasmiddel en andere chemicaliën en hoe zilver aan het textiel wordt gehecht.

In mensen, blootstelling aan zilver kan levercellen beschadigen, huid en longen. Langdurige blootstelling of blootstelling aan een hoge dosis kan een aandoening veroorzaken die argyria wordt genoemd, waarbij de huid van het slachtoffer permanent blauwgrijs wordt.

Zilver is giftig voor veel microben en waterorganismen, inclusief zebravissen, regenboogforel en zoöplankton.

Zodra zilver door het riool verdwijnt en bij afvalwaterzuiveringsinstallaties terechtkomt, het kan mogelijk schade toebrengen aan bacteriële behandelingsprocessen, waardoor ze minder efficiënt zijn, en vuilbehandelingsapparatuur. Meer dan 90 procent van de zilvernanodeeltjes die vrijkomen in het afvalwater, komt terecht in de nutriëntenrijke biologische vaste stoffen die overblijven aan het einde van de rioolwaterzuivering, die vaak op het land worden gebruikt als landbouwmest.

Dit brengt meerdere risico's met zich mee. Als planten zilver uit de grond opnemen, ze konden het concentreren en in de voedselketen introduceren. Het kan ook uitspoelen naar het grondwater of in rivieren spoelen via regenbuien of erosie.

Waswater behandelen bij de bron

Uit ons onderzoek blijkt dat de meest efficiënte manier om zilver uit afvalwater te verwijderen, is door het in de wasmachine te behandelen. Op dit moment zijn de zilverconcentraties relatief hoog, en zilver komt aanvankelijk vrij uit behandelde kleding in een chemische vorm die haalbaar is om te herstellen.

Zodra het waswater van de was naar de afvalwaterzuiveringsinstallaties wordt geleid en wordt gemengd met afvalwater en water uit andere bronnen, zilverconcentraties nemen aanzienlijk af en kunnen worden omgezet in verschillende chemische vormen.

Een beetje scheikunde is hier nuttig. Onze herstelmethode maakt gebruik van een veelgebruikt chemisch proces dat ionenuitwisseling wordt genoemd. Ionen zijn atomen of moleculen die een elektrische lading hebben. Bij ionenwisseling, een vaste stof en een vloeistof worden bij elkaar gebracht en wisselen ionen met elkaar uit.

Bijvoorbeeld, huishoudzepen schuimen niet goed in "hard" water, die hoge niveaus van ionen zoals magnesium en calcium bevat. Veel huiswaterfilters gebruiken ionenuitwisseling om het water te "verzachten", het vervangen van die materialen door andere ionen die de eigenschappen niet op dezelfde manier beïnvloeden.

Om dit proces te laten werken, de ionen die van plaats wisselen moeten zowel positief als negatief geladen zijn. Nanozilver komt in eerste instantie vrij uit textiel als zilverion, wat een kation is - een ion met een positieve lading (vandaar het plusteken in het chemische symbool, Ag+).

Zelfs bij de bron zilver verwijderen uit waswater is een uitdaging. Zilverconcentraties in de wasoplossing zijn relatief laag in vergelijking met andere kationen, zoals kalk, die het verwijderingsproces kunnen verstoren. De wasmiddelchemie maakt het plaatje nog ingewikkelder omdat sommige wasmiddelcomponenten mogelijk kunnen interageren met zilver.

Om zilver terug te winnen zonder andere chemicaliën op te nemen, het terugwinningsproces moet materialen gebruiken die een chemische affiniteit hebben voor zilver. In een eerdere studie, beschreven we een mogelijke oplossing:het gebruik van ionenuitwisselingsmaterialen ingebed in op zwavel gebaseerde chemicaliën, die bij voorkeur binden met zilver.

In onze nieuwe studie we voerden waswater door een ionenwisselaarharskolom en analyseerden hoe elk belangrijk wasmiddelbestanddeel in wisselwerking stond met zilver in het water en het vermogen van de hars om zilver uit het water te verwijderen beïnvloedde. Door procesomstandigheden zoals pH te manipuleren, temperatuur en concentratie van niet-zilverkationen, we waren in staat om omstandigheden te identificeren die de zilverwinning maximaliseerden.

We ontdekten dat de pH en de niveaus van calciumionen (Ca2+) kritische factoren waren. Hogere niveaus van waterstof- of calciumionen binden wasmiddelbestanddelen en voorkomen dat ze in wisselwerking treden met zilverionen, zodat de ionenuitwisselingshars het zilver uit de oplossing kan verwijderen. We ontdekten ook dat sommige wasmiddelingrediënten – met name bleekmiddelen en waterontharders – ervoor zorgden dat de ionenuitwisselingshars minder efficiënt werkte. Afhankelijk van deze voorwaarden, we hebben tussen de 20 en 99 procent van het zilver in het waswater teruggewonnen.

Onze bevindingen kunnen een aanzet zijn voor onderzoek naar alternatieve wasmiddelformuleringen die de zilverterugwinning verbeteren. Ze laten ook zien dat ionenuitwisselingstechnologie sporenzilver kan terugwinnen uit waswater dat veel wasmiddel bevat.

De toekomst van afvalwaterzuivering

Tegenwoordig wordt afvalwater uit meerdere bronnen verzameld, zoals woningen en bedrijven, en via leidingen over lange afstanden naar gecentraliseerde afvalwaterzuiveringsinstallaties. Maar toenemend bewijs toont aan dat deze faciliteiten slecht zijn uitgerust om nieuw geïdentificeerde verontreinigingen uit het milieu te houden, omdat ze één gemeenschappelijk verwerkingsschema gebruiken voor veel verschillende afvalstromen.

Wij geloven dat de toekomst ligt in gedecentraliseerde systemen die verschillende soorten afvalwater kunnen behandelen met specifieke technologieën die speciaal zijn ontworpen voor de materialen die ze bevatten. Als afvalwater van wasserettes andere verontreinigingen bevat dan afvalwater van restaurants, waarom behandel je ze op dezelfde manier?

Onze aanpak is zowel een efficiëntere als een effectievere manier om nieuwe milieuproblemen aan te pakken – mogelijk via een simpele stap als het installeren van een gespecialiseerde waterbehandelingspatroon in uw wasmachine.