Jordbruksavfall kan användas för att rena avloppsvatten

I sin doktorsavhandling i kemi visar Brigitte Mukarunyana hur biokol och hydrokol, kolbaserade material som framställs av biomassa som kaffeskal, kaffefruktkött, trä och rester från sockerrör, effektivt kan avlägsna skadliga föroreningar från avloppsvatten. Forskningen kombinerar avancerade laboratorieexperiment med fältstudier för att möta verkliga utmaningar kopplade till vattenföroreningar.

– Avloppsvattnet bär våra spår, biomassan återställer, säger Brigitte Mukarunyana. Den här forskningen visar att lokalt tillgängliga material kan bli en del av lösningen för att skydda vattenresurser och folkhälsa.

Fångar upp och binder föroreningar

Arbetet fokuserar på vattensystem i Rwanda, där snabb urbanisering, jordbruk och begränsad avloppsrening bidrar till omfattande föroreningar. Fältundersökningar visade på höga halter av organiska föroreningar både i avloppsvatten från sjukhus och i floder. I avloppsvattnet från sjukhus nådde läkemedelskoncentrationerna 244 000 nanogram per liter, medan proverna från floder innehöll mer än 50 olika läkemedelssubstanser, tillsammans med bekämpningsmedel och växtbaserade ämnen. Ett tydligt mönster var att stadsområden främst påverkas av läkemedelsföroreningar, medan landsbygds- och jordbruksområden i högre grad påverkas av bekämpningsmedel och naturliga organiska ämnen.

För att hantera dessa utmaningar undersöks i avhandlingen hur jordbruksavfall kan omvandlas till material för vattenrening genom termokemiska processer som pyrolys och hydrotermisk karbonisering. De biokol och hydrokol som bildas fungerar som adsorbenter, vilket innebär att de fångar upp och håller kvar föroreningar från vattnet. Experiment med verkligt avloppsvatten visade att materialen kan avlägsna mellan 14 och 66 procent av läkemedlen, omkring 75 procent av bekämpningsmedlen och i vissa fall uppnå fullständigt avlägsnande av specifika ämnen som polyfenoler. Under optimala förhållanden nådde vissa material en avskiljningsgrad på över 90 procent.

Minskar avfall och kostnader

Ett viktigt bidrag från forskningen är förklaringen till varför dessa material är effektiva. Deras prestanda beror på flera faktorer, däribland vilken typ av biomassa som används, produktionsprocessen samt den ytstruktur och kemi som materialen får. Avlägsnandet av föroreningar styrs inte av en enda faktor, utan av en kombination av mekanismer såsom kemiska interaktioner, hydrofob attraktion och infångning i mikroskopiska porer.

Studien lyfter fram potentialen i att omvandla avfall till en värdefull resurs och stödjer ett cirkulärt synsätt där jordbrukets biprodukter återanvänds för att uppnå en säkrare miljö. Processen minskar avfall, sänker kostnaderna för vattenrening och skapar möjligheter för lokal produktion av reningsmaterial. Det är särskilt viktigt i regioner där centraliserade reningssystem inte är genomförbara, eftersom materialen kan produceras lokalt och användas i decentraliserade eller småskaliga tillämpningar.

Forskningen, som har genomförts vid Kemiska institutionen vid Umeå universitet i samarbete med internationella partners, ger en grund för fortsatt utveckling av hållbara tekniker för vattenrening. Det fortsatta arbetet kommer att fokusera på att skala upp produktionen, testa materialen i verkliga system och integrera dem med befintliga reningsmetoder.

Om disputationen

Den 12 juni försvarar Brigitte Mukarunyana sin doktorsavhandling med titeln Biochars and hydrochars for the adsorption of organic contaminants from wastewater. Platsen är Stora hörsalen, KBC-huset, Umeå universitet. Fakultetsopponent är docent Sahar Dalahmeh, Kungliga Tekniska högskolan, KTH.

Läs hela avhandlingen