Nyt materiale udvinder kobber fra giftigt spildevand

Vi er afhængige af vand for at slukke vores tørst og til at vande rigelig landbrugsjord. Men hvad gør man, når det engang uberørte vand er forurenet med spildevand fra forladte kobberminer?

En lovende løsning er afhængig af materialer, der fanger tungmetalatomer, såsom kobberioner, fra spildevand gennem en separationsproces kaldet adsorption. Men kommercielt tilgængelige kobber-ion-opfangningsprodukter mangler stadig den kemiske specificitet og belastningskapacitet til præcist at adskille tungmetaller fra vand.

Nu, et team af forskere ledet af Department of Energy's Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) har designet et nyt materiale - kaldet ZIOS (zinc imidazole salicylaldoxime) - der målretter og fanger kobberioner fra spildevand med hidtil uset præcision og hastighed. I et papir for nylig offentliggjort i tidsskriftet Naturkommunikation , forskerne siger, at ZIOS tilbyder vandindustrien og forskersamfundet det første plan for en vandrensningsteknologi, der opfanger specifikke tungmetalioner med en vis kontrol på atomniveau, der langt overgår den nuværende state of the art.

"ZIOS har en høj adsorptionskapacitet og den hurtigste kobberadsorptionskinetik af ethvert materiale, der hidtil er kendt - alt i én, " sagde seniorforfatter Jeff Urban, der leder faciliteten for uorganiske nanostrukturer i Berkeley Labs Molecular Foundry.

Denne forskning legemliggør Molecular Foundrys signaturarbejde - designet, syntese, og karakterisering af materialer, der er optimeret på nanoskala (milliarddele af en meter) til sofistikerede nye anvendelser inden for medicin, katalyse, vedvarende energi, og mere.

For eksempel, Urban har fokuseret meget af sin forskning på design af supertynde materialer fra både hårdt og blødt stof til en række forskellige anvendelser, fra omkostningseffektiv vandafsaltning til selvsamlende 2D-materialer til vedvarende energianvendelser.

"Og det, vi forsøgte at efterligne her, er de sofistikerede funktioner, der udføres af naturen, "såsom når proteiner, der udgør en bakteriecelle, udvælger visse metaller til at regulere cellulær metabolisme, sagde hovedforfatter Ngoc Bui, en tidligere postdoc-forsker i Berkeley Lab's Molecular Foundry, som nu er adjunkt i kemi, biologiske, og materialeteknik ved University of Oklahoma.

"ZIOS hjælper os med kun at vælge og fjerne kobber, en forurening i vand, der har været forbundet med sygdom og organsvigt, uden at fjerne ønskelige ioner, såsom næringsstoffer eller essentielle mineraler, " tilføjede hun.

En sådan specificitet på atomniveau kunne også føre til mere overkommelige vandbehandlingsteknikker og hjælpe med at genvinde ædle metaller. "Dagens vandbehandlingssystemer er 'bulkseparationsteknologier' - de trækker alle opløste stoffer ud, uanset deres fare eller værdi, sagde medforfatter Peter Fiske, direktør for National Alliance for Water Innovation (NAWI) og Water-Energy Resilience Institute (WERRI) ved Berkeley Lab. "Meget selektiv, holdbare materialer, der kan fange specifikke sporbestanddele uden at blive belastet med andre opløste stoffer, eller falder fra hinanden med tiden, vil være af afgørende betydning for at sænke omkostningerne og energien til vandbehandling. De kan også gøre os i stand til at 'mine' spildevand for værdifulde metaller eller andre sporbestanddele."

Opfangning af tungmetaller på atomniveau

Urban, Bui, og medforfattere rapporterer, at ZIOS-krystaller er meget stabile i vand - op til 52 dage. Og i modsætning til metal-organiske rammer, det nye materiale klarer sig godt i sure opløsninger med det samme pH-område for surt minespildevand. Ud over, ZIOS fanger selektivt kobberioner 30-50 gange hurtigere end avancerede kobberadsorbenter, siger forskerne.

Disse resultater overraskede Bui. "Først troede jeg, at det var en fejl, fordi ZIOS-krystallerne har et meget lavt overfladeareal, og ifølge konventionel visdom, et materiale skal have et højt specifikt overfladeareal, ligesom andre familier af adsorbenter, såsom metal-organiske rammer, eller porøse aromatiske rammer, at have en høj adsorptionskapacitet og en ekstrem hurtig adsorptionskinetik, sagde hun. Så jeg undrede mig, "Måske foregår der noget mere dynamisk inde i krystallerne."

At finde ud af, hun rekrutterede hjælp fra co-lead forfatter Hyungmook Kang til at udføre molekylær dynamik simuleringer på Molecular Foundry. Kang er kandidatstuderende forsker i Urban Lab på Berkeley Labs Molecular Foundry og en Ph.D. studerende i afdelingen for maskinteknik på UC Berkeley.

Kangs modeller afslørede, at ZIOS, når nedsænket i et vandigt miljø, "fungerer som en svamp, men på en mere struktureret måde, " sagde Bui. "I modsætning til en svamp, der absorberer vand og udvider sin struktur i tilfældige retninger, ZIOS udvider sig i specifikke retninger, da det adsorberer vandmolekyler."

Røntgeneksperimenter ved Berkeley Labs Advanced Light Source afslørede, at materialets bittesmå porer eller nanokanaler - kun 2-3 ångstrøm, på størrelse med et vandmolekyle - udvider sig også, når det nedsænkes i vand. Denne udvidelse udløses af et 'hydrogenbindingsnetværk, ' som skabes, når ZIOS interagerer med de omgivende vandmolekyler, Bui forklarede.

Denne udvidelse af nanokanalerne gør det muligt for vandmolekyler, der bærer kobberioner, at strømme i større skala, hvorunder en kemisk reaktion kaldet "koordinationsbinding" mellem kobberioner og ZIOS finder sted.

Yderligere røntgenforsøg viste, at ZIOS er meget selektiv over for kobberioner ved en pH-værdi under 3 - et væsentligt fund, da pH-værdien af ​​sur minedræning typisk er en pH-værdi på 4 eller lavere.

Desuden, forskerne sagde, at når vand fjernes fra materialet, dens krystalgitterstruktur trækker sig sammen til sin oprindelige størrelse inden for mindre end 1 nanosekund (milliarddel af et sekund).

Medforfatter Robert Kostecki tilskrev holdets succes deres tværfaglige tilgang. "Den selektive udvinding af grundstoffer og mineraler fra naturlige og producerede vand er et komplekst videnskabeligt og teknologisk problem, " sagde han. "Til denne undersøgelse, vi udnyttede Berkeley Labs unikke muligheder på tværs af nanovidenskab, miljøvidenskab, og energiteknologier til at omdanne en grundlæggende materialevidenskabelig opdagelse til en teknologi, der har et stort potentiale for virkninger i den virkelige verden." Kostecki er direktør for Energy Storage and Distributed Resources Division i Berkeley Labs Energy Technologies Area, og Materialer og Fremstillings F&U-emneområde i NAWI.

Forskerne planlægger derefter at udforske nye designprincipper for selektiv fjernelse af andre forurenende stoffer.

"I vandvidenskab og vandindustrien, adskillige familier af materialer er blevet designet til dekontaminering af spildevand, men få er designet til fjernelse af tungmetal fra sur minedræning. Det håber vi, at ZIOS kan være med til at ændre på, sagde Urban.