Un filtre à charbon actif, présent dans de nombreux systèmes de filtration domestiques, peut purifier votre eau potable, mais ce n'est pas le cas pour les eaux usées contenant des explosifs de qualité militaire. Pour nettoyer les eaux usées du traitement des munitions et de la démilitarisation, une paire de professeurs d'ingénierie environnementale de l'Université du Delaware et un ancien élève d'ingénierie de l'UD s'associent pour tester une nouvelle technologie utilisant des nanoparticules de fer.

Grâce à une subvention du département américain de la Défense (DOD), les professeurs Pei Chiu et Daniel Cha travaillent avec Brian Hubbard, un environnement, responsable de la sécurité et de la santé au travail de l'armée américaine, pour briser les explosifs dans les eaux usées. La bourse de trois ans, qui a débuté en 2019, provient du programme de certification des technologies de sécurité environnementale (ESTCP) du DOD. Hubbard, qui a obtenu un baccalauréat et une maîtrise en génie de l'environnement de l'UD, est le chercheur principal, et Cha et Chiu sont des collaborateurs sur le projet. Plusieurs étudiants, dont Aidan Meese, étudiant de premier cycle en génie de l'environnement, participent également au projet.

En développant et en mettant en œuvre de nouvelles technologies de traitement des eaux usées contenant des composés de munitions insensibles, l'armée peut promouvoir la gérance de l'environnement et réduire les coûts.

Des armes plus sûres, eau plus sale

Les composés explosifs de la vieille école tels que le TNT explosent facilement et peuvent se déclencher accidentellement en présence de vibrations ou d'augmentations soudaines de température. La sensibilité de ces munitions présente des risques pour les personnes qui les manipulent, donc aujourd'hui, l'armée produit des munitions insensibles qui sont plus difficiles à déclencher. Les munitions insensibles sont plus sûres pour les utilisateurs, bien qu'ils soient plus solubles dans l'eau que leurs homologues historiques. Ces matériaux se dissolvent facilement dans l'eau utilisée dans la fabrication et les processus connexes et peuvent exister dans l'eau à des concentrations beaucoup plus élevées.

« Les méthodes de traitement actuelles, comme l'adsorption sur charbon actif, ne sont pas très efficaces pour éliminer ces composés de munitions hautement solubles, " a déclaré Chiu. (L'adsorption est l'adhésion dans une couche extrêmement mince de molécules, telles que les gaz, liquides ou substances dissoutes—aux surfaces des corps solides ou liquides avec lesquels ils sont en contact.) "Les technologies de traitement traditionnelles ne fonctionnent tout simplement pas aussi bien qu'elles le faisaient pour les munitions du passé."

Un pas cher, une technologie efficace de purification de l'eau pourrait profiter à l'environnement et à l'armée. « Les processus tels que la fabrication génèrent souvent des eaux usées, mais que se passerait-il si cette eau pouvait être traitée et réutilisée ?", a déclaré Chiu. "Les opérations de l'armée pourraient économiser de l'eau et de l'argent et réduire les risques en même temps."

Quoi de plus, le charbon actif ne détruit pas les composés de munitions. Il les adsorbe, laissant une seconde source de déchets, et la responsabilité potentielle, faire face.

L'équipe de recherche utilise des particules de fer microscopiques, fer zérovalent à l'échelle nanométrique, pour traiter cette eau. Au lieu d'être corrodé par l'oxygène de l'eau, formation de rouille, les particules de fer de 25 nanomètres sont corrodées par les composés de munitions dans les eaux usées. Les nanoparticules donnent des électrons aux composés de munitions et, par transfert d'électrons, les composés de munitions insensibles dissous se décomposent. Le fer zérovalent à l'échelle nanométrique a été utilisé pour traiter les eaux souterraines, mais c'est sa première application aux eaux usées de munitions.

L'équipe a recueilli des échantillons d'eaux usées dans les installations de l'armée et, au laboratoire d'UD, effectué des analyses de la qualité de l'eau et des composés de munitions à l'aide de la chromatographie liquide à haute performance avec un détecteur à barrette de diodes.

Après avoir utilisé des nanoparticules de fer pour détruire les composés de munitions dans les eaux usées, l'équipe ajoute du peroxyde d'hydrogène pour oxyder les résidus en sous-produits inoffensifs.

C'est la beauté de la technologie. Le même fer est utilisé trois fois pour trois usages différents. D'abord, le nano fer à valence nulle détruit instantanément les composants des munitions en donnant des électrons et devient du fer divalent. Le fer divalent active le peroxyde d'hydrogène pour oxyder les composés, et dans cette étape, le fer divalent devient du fer trivalent. fer trivalent, qui est couramment utilisé dans le traitement de l'eau, peut éliminer les particules et les résidus et polir les eaux usées traitées en vue d'un éventuel rejet ou réutilisation.

"Avec notre technologie, nous détruisons en fait la pollution, " dit Cha.

Les premiers résultats expérimentaux sont prometteurs et en cours et permettront d'élucider les conditions optimales pour les essais sur le terrain. Les essais pilotes sur le terrain commenceront au printemps 2020.

"C'est un processus continu, " dit Chiu. " Comme nous en apprenons plus sur la chimie, nous pourrons proposer des conditions meilleures et plus efficaces pour traiter ces eaux usées. »

Le projet comprendra également une analyse des coûts. "Nous prévoyons que ce processus sera beaucoup moins cher que le charbon actif, " dit Chiu.

L'équipe soupçonne que leur technologie pourrait être polyvalente, trop, avec une applicabilité pour le traitement des eaux usées industrielles provenant d'industries autres que l'armée, telles que l'agrochimie et la fabrication de produits de consommation.