La filtrazione dell'acqua è essenziale per mantenere la salute pubblica. La capacità di vedere come i contaminanti persistenti come i batteri nocivi, microinquinanti, e le microplastiche si comportano su scala atomica possono consentire agli ingegneri di realizzare filtri migliorati per metodi di trattamento dell'acqua più efficaci.

La fonte europea di spallation (ESS), attualmente in costruzione a Lund, Svezia, è impostato per essere aperto agli utenti nel 2023. In preparazione, La scienziata ESS Monika Hartl e i suoi collaboratori della Swedish Water Research stanno utilizzando neutroni presso l'Oak Ridge National Laboratory (ORNL) del Department of Energy (DOE) per studiare come il bisfenolo A (BPA), una sostanza chimica utilizzata nella plastica, interagisce con i filtri dell'acqua.

Il BPA è un componente chiave in un chiaro, difficile, plastica infrangibile chiamata policarbonato che è ampiamente utilizzata nei prodotti di sicurezza e nei beni di consumo. Poiché il policarbonato si decompone in acqua, Il BPA può essere rilasciato nell'ambiente, dove gli studi hanno dimostrato che il consumo di BPA, spesso a causa della contaminazione dell'acqua, può avere un impatto negativo sull'impianto, animale, e anche la salute umana. Filtrare questo contaminante dalle riserve idriche può ridurre i suoi effetti negativi sull'ambiente e allo stesso tempo ridurre o eliminare qualsiasi effetto negativo sulla salute umana.

I filtri industriali a sabbia e argilla vengono spesso utilizzati all'inizio del processo di filtrazione dell'acqua prima che vengano applicati metodi di purificazione più avanzati come il trattamento con cloro. La sabbia utilizzata per la filtrazione ha strutture microporose in grado di assorbire i contaminanti dall'acqua, e le argille hanno strutture stratificate con capacità simili.

Utilizzando lo strumento VISION, beamline 16B alla Spallation Neutron Source (SNS) di ORNL, Hartl e i suoi collaboratori dell'industria idrica svedese possono utilizzare la diffusione di neutroni per vedere come il BPA influisce sulle superfici dei materiali filtranti e quindi sulla loro efficacia nell'adsorbire le molecole a livello atomico.

"Stiamo studiando come rimuovere i prodotti di decomposizione della plastica dall'acqua utilizzando filtri a sabbia e argilla. In particolare, stiamo cercando di capire come il BPA interagisce con strutture in argilla e strutture in sabbia, " disse Hartl.

I neutroni non sono distruttivi e possono penetrare in profondità materiali come sabbia e argilla, a differenza di metodi di ricerca simili. La loro sensibilità all'idrogeno li rende ideali per studi che coinvolgono l'acqua, soprattutto per studiare l'acqua in strutture opache e difficili da penetrare.

"Con i neutroni, puoi penetrare facilmente nel filtro e puoi vedere il BPA all'interno del materiale, " disse Hartl.

"C'è una grande squadra su VISION, e hanno un laboratorio utente ben attrezzato dove posso preparare un'ampia gamma di campioni con molte opzioni per confermare la qualità dei miei campioni prima di inserirli nella linea di luce. Se devo modificare qualcosa durante l'esperimento, Posso controllare i miei materiali nel laboratorio utente invece di sprecare tempo di trasmissione, " ha detto Hartl, che sta attualmente progettando laboratori utente simili per l'ESS.

"I laboratori di chimica sono molto importanti per lo scattering di neutroni. La capacità di preparare campioni e di caratterizzarli alle sorgenti di neutroni è diventata essenziale, soprattutto per la ricerca sull'acqua."

Utilizzando i dati di questo esperimento, Hartl può identificare come i materiali filtranti assorbono il BPA, nonché quali strutture e materiali hanno prestazioni migliori di altri, al fine di sviluppare filtri per l'acqua migliorati che durano più a lungo e funzionano meglio.

"Se scopriamo come l'acqua e il bisfenolo interagiscono con i filtri, possiamo quindi imparare a modificare il filtro per rimuovere meglio il bisfenolo, che sarebbe molto utile per le piante acquatiche, " ha detto Hartl.

Questo lavoro è supportato come "progetto pilota industriale per esperimenti di neutroni e fotoni in infrastrutture di ricerca su larga scala" dall'agenzia di finanziamento svedese Vinnova (numero di progetto 2018-03264). I partner di questo progetto sono il Dr. Alfredo Gonzalez-Perez, leader del gruppo di ricerca e coordinatore del progetto della Swedish Water Research AB; Prof. Kenneth Persson, capo della ricerca Sydvatten AB; e Monika Hartl.