Soldriven vattenrening med lågdimensionella fotokatalysatorer

Tidsperiod:

1 januari 2017 – 31 december 2021

Projektledare:

Tomas Edvinsson

Projektdeltagare:

Lars Österlund, Mario Valvo

Finansiär:

Formas

Bidragstyp:

Oklassificerat

Budget:

2 990 001 SEK

Rent vatten är en viktig för en hållbar utveckling och ekonomisk tillväxt och en resurs som är absolut nödvändigt för människans överlevnad. Enligt FN och Vatten-för-liv-projektetet, saknar 748 miljoner människor tillgång till rent dricksvatten, medan andra källor uppskattar att upp till 1,2 miljarder människor lider av brist på rent vatten och miljontals människor dör årligen av vattenrelaterade sjukdomar såsom diarré och kolera. Förorenat vatten och dåliga sanitära förhållanden orsakar tillsammans cirka 80% av alla sjukdomar i utvecklingsländerna och framsteg inom billiga och effektiva vattenreningstekniker skulle vara av oerhörd betydelse för att minimera onödigt mänskligt lidande. Elimineringen av giftiga kemikalier från avloppsvatten är idag en av de viktigaste utmaningarna för kontroll av föroreningar, vilket bl. a. uppmärksammas i FNs resolution 64/292 från 2010.De processer och tekniker som finns i dagsläget för behandling av förorenat vatten varierar; grovt de kan delas in i fysikaliska, biologiska och kemiska metoder. Dessa metoder minskar föroreningar, men ofta inte tillräckligt i många låginkomstländer, och kan där vara särskilt angeläget där svårnedbrytbara kemikalier kan förekomma i mycket större utsträckning än i västvärlden. En del av dessa metoder är inte miljömässigt hållbara och andra för dyra. Alternativa kemiska behandlingsmetoder baserade på miljömässigt hållbara principer blir därför mer och mer vanligt. Så kallade avancerade oxidationsprocesser (AOP) hör till denna klass av metoder. De är effektiva mot en stor klass av förorening inklusive svårnedbrytbara kemiska föreningar. Soldriven vattenrening med lågdimensionella partiklar är en kostnadseffektiv och miljövänlig AOP-teknik som endast behöver fotokatalytiska material och solljus för att bryta ned kemiska och biologiska föroreningar. I själva verket kan oxidationspotentialen för fotokatalys vara högre än för både t.ex. ozon och väteperoxid som vanligen används som desinfektionsmedel på sjukhus. Trots omfattande forskningsinsatser för att utveckla solljusaktiva AOP-tekniker har deras effektivitet hitintills varit låg för att på allvar kunna ersätta befintliga tekniker. Det finns dock principiella fördelar med solljusdriven AOP-teknik bl. a. hur reaktiva radikaler kan produceras och anpassas för specifika krav och en verkningsgrad som på sikt med råge kan överträffa övriga tekniker. Framväxande föroreningar är ofta motsträviga mot biologisk nedbrytning, och ackumuleras i vatten-ekosystem. Dessa föroreningar är resistenta mot konventionella behandlingsmetoder och effektiva och hållbara sätt att avlägsna dessa föreningar är av globalt intresse. Detta projekt fokuserar på avloppsrening av svårnedbrytbara färgämnen som modellkemikalie för molekyler som ofta förekommer i industriutsläpp, med hjälp av nya material för soldriven fotokatalys. Vi har för avsikt att använda kopparoxid i kombination med zinkoxid för en förbättrad laddningsseparation och solljusaktivitet. Nyckeln till effektivare fotokatalytiska system för vattenrening är kombinationen av två material där den ena är effektiv för laddningstransport av elektroner till ytan och på så sätt skapa syreradikaler och det andra är effektiv för bildandet av hydoxylradikaler. Vi kommer att undersöka egenskaperna hos ytan på partiklarna med hjälp av laserljus som skickas in genom vattnet under själva katalysen. En viss del av laserljuset kan förlora sin energi till vibrationer i materialet och skickas ut igen med lägre energi. Den saknade energin är den energi som en specifik vibration i materialet har tagit upp och tekniken kallas Ramanspektroskopi. En stor fördel med denna teknik är att den kan mätas genom vatten samtidigt som den kan identifiera vilka oxider och hydroxider som finns på ytan under olika betingelser. Här kan både solljus användas för att driva katalysen där man har ett filter som tar bort ljuset precis för de våglängder där lasern mäter där både egenskaperna på ytan av kopparoxiden/zinkoxiden kan analyseras men även ger möjlighet att följa reaktionsprodukterna under nedbrytningen av vattenförereningarna. Vi kommer även att använda annan vibrationsspektroskopi (IR) och andra ytkänsliga tekniker så som röntgen-fotospektrosopi (XPS). I en slutfas i projektet kommer materialsystemet att användas för att studera nedbrytning av föroreningar i dricksvatten i fältstudier i Kenya via ett samarbete med Universitetet i Eldoret, Kenya, Afrika.