Mr. Luke A. GurtowskiResearch Chemical EngineerEnvironmental LaboratoryU.S. Army Engineer and Development Center

April 2018

Executive Summary• Background

• Insensitive munitions• Benefits• Environmental Concerns

• Treatment Technologies

• Evaluations and Discussion• Adsorptive Removal• Isotherm Models

• Conclusions

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O

N

N

H3C

O

O

O O

Munitions Constituents

• Insensitive munitions (IMs) are currently being evaluated as alternatives to traditional munitions

• IM formulations contain more than one constituent3

2,4‐dinitroanisole (DNAN)

Nitrotriazolone (NTO)2,4,6‐trinitrotoluene (TNT)

Nitroguanidine (NQ)Hexahydro‐1,3,5‐

trinitro‐1,3,5‐triazine (RDX)

1,1‐diamino‐2,2‐dinitroethene (FOX‐7)

Insensitive MunitionsTraditional Munitions

IM PropertiesCompound Aqueous Solubility (mg/L)

NTO 12,800 (19 ⁰C)

NQ 4,100 (26 ⁰C)

DNAN 280 (25 ⁰C)

TNT 130 (20 ⁰C)

RDX 43.2 (25 ⁰C)

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• Yellow color associated with IM formulations• pKa of NTO = 3.76

Polysaccharide Adsorbents• Cellulose and chitin are two most abundant biopolymers in the world

• Derivatives formed from acetylation and deacetylation processes

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Chitin Chitosan

Cellulose Cellulose Acetate

Scope• Proof‐of‐concept evaluation

• 10 mL aliquots of 2‐mg/L solution vs. 500 mg of each adsorbent

• DNAN• NQ• TNT• FOX‐7

• Preparation and evaluation of isotherms• Successful adsorbate‐adsorbent mixtures

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Proof‐of‐concept Evaluation

• Definitive adsorption of DNAN and TNT via cellulose triacetate.

• Chitin and chitosan show potential adsorption of TNT.

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0102030405060708090100

DNAN

Fox‐7

NQ

TNT

DNAN

Fox‐7

NQ

TNT

DNAN

Fox‐7

NQ

TNT

DNAN

Fox‐7

NQ

TNT

Cellulose Cellulose Triacetate Chitin Chitosan

Removal (%

)

Preparation of Isotherms

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• 10‐mL aliquots of 10‐mg/L solutions vs. various adsorbent masses• Only cellulose acetate showed observable adsorption trend

0

10

20

30

40

50

60

70

80

0 20 40 60 80 100 120

Adsorbate Re

moval (%

)

Adsorbent Mass (mg)

DNAN

Chitin Chitosan Cellulose Cellulose Acetate

0102030405060708090

0 20 40 60 80 100 120

Adsorbate Re

moval (%

)Adsorbent Mass (mg)

TNT

Chitin Chitosan Cellulose Cellulose Acetate

Cellulose Triacetate Isotherms

9

y = 0.3303xR² = 0.9625

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

0 2 4 6 8

Unit M

ass A

dsorbe

d (m

g/g)

Equilibrium Concentration (mg/L)

DNAN

y = 0.4613xR² = 0.9958

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

0 2 4 6 8Unit M

ass A

dsorbe

d (m

g/g)

Equilibrium Concentration (mg/L)

TNT

Compound Distribution Coefficient (mL/g)DNAN 330.3TNT 461.3

Discussion and Next Steps• DNAN and TNT display high affinity for cellulose triacetate.

• Linear adsorption models applicable• Moderate removal of FOX‐7 via cellulose triacetate• Electron‐withdrawing groups cause adsorption

• All adsorbents show very low affinity for NQ and inconsistency for NTO

• NTO is currently undergoing evaluation

• Next steps• Evaluate polysaccharides with electron‐withdrawing groups to optimize removal

• Produce adsorbents for removal of each IM

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Applications

• Utilization within industrial base for process water treatment

• In‐situ surface water treatment technology for training ranges

• Sustainable alternatives to GAC and destructive processes

Conclusions• Cellulose, chitin, and chitosan are ineffective at removing IMs from solution

• Cellulose triacetate is an effective adsorbent for DNAN and TNT

• NTO speciation provides inconsistent adsorption results

• No material evaluated in this study successfully removed NQ from solution

• Associated Journal Article:• Gurtowski, L.A., C.S. Griggs, V.G. Gude, M.K. Shukla. 2017. An integrated theoretical and experimental investigation of insensitive munition compounds adsorption on cellulose, cellulose triacetate, chitin and chitosan surfaces. J. of Environmental Sciences.

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Innovative Solutions for a Safer, Better World

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