Småskalig vattenrening: Soljusdrivna bifunktionella fotokatalysatorer för fältbruk

Tidsperiod:

1 januari 2017 – 31 december 2019

Projektledare:

Lars Österlund

Projektdeltagare:

Tomas Edvinsson

Finansiär:

Vetenskapsrådet

Bidragstyp:

Projektbidrag

Budget:

3 600 000 SEK

Vattenrening är idag en av de viktigaste utmaningarna för kontroll av föroreningar i vår miljö, vilket bl. a. uppmärksammas i FNs resolution 64/292 från 2010. I utvecklingsländer är orent vatten en vanlig dödsorsak; speciellt bland barn. Vatten är orsak till sociala problem, till exempel kvinnor som inte vågar uppsöka toalett eller hämta vatten på grund av risk för överfall. Vatten är sedan urminnes tider källa till väpnade konflikter. Effektiva sätt att rena vatten är därför av globalt intresse. De processer och tekniker som finns i dagsläget minskar kraftigt föroreningar, men är ofta antingen inte utbyggda eller tillräckliga i många delar av världen. Svårnedbrytbara kemikalier, t.ex. färgämnen från textilindustri, läkemedelsrester, hushållskemikalier, etc. är speciellt problematiska - både för människa och miljö. En del av dessa är toxiska och kan inte behandlas med biologiska vattenreningstekniker eftersom de är giftiga för mikroorganismer i den biologiska bädden. De långsiktiga effekterna för flertalet av dessa ämnen är i stort outredda. Alternativa kemiska behandlingsmetoder blir därför mer och mer vanligt. Så kallade avancerade oxidationsprocesser (AOP; ’Advanced oxidation processes’ på engelska) hör till denna klass av metoder. De är effektiva mot en stor klass av förorening inklusive svårnedbrytbara kemiska föreningar. AOP tekniker har förmåga att uppfylla de allt strängar miljökrav och energieffektivitet som tillämpas globalt, samtidigt som de effektivt kan rena vatten. Till exempel, ozon och UV-behandling har nyligen tillämpats för att sanera bakteriella föroreningar i dricksvatten i Östersund och Skellefteå. Fotokatalytisk vattenrening är en miljövänlig teknik som endast behöver 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 är deras effektivitet idag för 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. De främsta nackdelarna med solljusdrivna AOP-tekniker, inklusive fotokatalytisk vattenrening, är att de måste användas i kombination med andra tekniker för att ta bort grumlighet (partikular substanser), och att det för närvarande är alltför ineffektiva för behandling av stora koncentrationer av förorenande ämnen. Trots detta kan användning av solljusdriven AOP-teknik redan idag anses som mogen att användas som förbehandlingssteg för att accelerera nedbrytning av svårnedbrytbara föroreningar i små koncentrationer; speciellt för småskalig användking.   I detta projekt ska vi kombinera två metoder att rena vatten: 1) flockning av partikelföroreningar med proteiner extraherade ut krossade Moringafrön, samt 2) soldriven fotokatalytisk oxidation av organiska föroreningar. På så sätt kan vi lösa ett av problemen med solljusdriven fotokatalys av grumligt vatten som nämns ovan, dvs. vi kan på ett enkelt sätt som är lämpligt för att rena små mängder vatten utan tillsats av kemikalier eller mekaniska filtreringssteg ta bort pariklar från vatten och göra det klart och transparent, och därför lämpligt att lysa genom med solljus. Vi avser använda nya koppar-zink katalysatorer som tillverkas med en enkel och miljövänlig metod och som kan utnyttja en större andel av solljusspektrumet än nuvarande titandioxid-katalysatorer. Skulle projektet vara lyckosamt skulle fotokatalytiska metoder på allvar kunna användas för rening av gråvatten, eller vatten som passerat ett flockuleringssteg. En nyhet i vårt angreppssätt är att vi utvecklar avancerade material med hållbara metoder och som är förhållandevis enkla att tillverka.   Denna forskning bidrar till studier och utveckling av vattenreningstekniker som är lämplig att implementera