Ingen med kviksølv:MXene-materiale kan modvirke kviksølvforurening

Forskere vurderer, at kviksølvemissionerne i atmosfæren er firedoblet siden den industrielle revolution. Tungmetallet, der dannes ved afbrænding af fossile brændstoffer og bortskaffelse af industri- og medicinsk affald, er blevet så vedvarende i vandmiljøer, at US Food and Drug Administration antyder, at omkring et halvt dusin fiskearter er så kviksølvforurenede, at folk bør undgå at indtage dem. Forskere har i mange år arbejdet på at udvikle systemer til at fjerne kviksølv fra vand. Men et hold på Drexel University har måske fundet det helt rigtige materiale til effektivt at fange det undvigende kviksølv – selv ved lave niveauer – og rense forurenede vandmasser.

Blandt mange metoder til at fjerne kviksølv fra vand er adsorption - processen med kemisk at tiltrække og fjerne forurenende stoffer - den mest lovende teknologi på grund af dens relative enkelhed, effektivitet og lave omkostninger, ifølge Drexel College of Engineering Professor Masoud Soroush, Ph.D. , hvis laboratorium er ved at udvikle en ny adsorptionsteknologi.

"Moderne adsorbenter, såsom harpikser, mesoporøs silica, chalcogenider og mesoporøse carboner, har højere effektivitet end traditionelle adsorbenter, såsom aktivt kul, ler og zeolitter, der har lav affinitet over for kviksølv og lav kapacitet," sagde Soroush. "Men problemet med alle disse materialer er, at deres kviksølvfjernelseseffektivitet stadig er lav, og de er ude af stand til at sænke kviksølvniveauet til mindre end 1 del pr. milliard."

Soroush's team af forskere fra Drexel og Temple University har udforsket syntetisering og brug af en overflademodificeret titaniumcarbid MXene til fjernelse af kviksølv. MXenes er en familie af todimensionelle nanomaterialer, der blev opdaget hos Drexel for mere end ti år siden og har demonstreret mange exceptionelle egenskaber. Holdet rapporterede for nylig sine resultater i Journal of Hazardous Materials .

Til fjernelse af kviksølvioner er titaniumcarbid MXenes fordele ifølge Soroush dens negativt ladede overflade og tunbarheden og alsidigheden af ​​dens overfladekemi, hvilket gør MXene attraktiv til fjernelse af tungmetalioner. På grund af disse egenskaber og den lagdelte struktur af MXene har titaniumcarbid MXene-baserede materialer vist overlegen ydeevne i gasseparation, fjernelse af salt fra vand, dræbning af bakterier og nyredialyse.

"Vi vidste, at 2D-materialer, såsom grafenoxid og molybdændisulfid, tidligere havde været effektive til at fjerne tungmetaller fra spildevand gennem adsorption på grund af deres kemiske funktionaliteter/strukturer, der tiltrækker metalioner," sagde Soroush. "MXener er en lignende type materialer, men vi vurderede, at titaniumcarbid MXene kunne have meget større optagelseskapacitet end disse andre materialer - hvilket gør det til en bedre sorbent for kviksølvioner."

Men Soroush's team var nødt til at foretage en vigtig justering af titaniumcarbid MXenes kemiske struktur for yderligere at forbedre materialet til en af ​​dets mest udfordrende opgaver.

"Kviksølv kaldes kviksølv af en grund - det er ret undvigende, når det først udsendes til miljøet, hvad enten det er ved afbrænding af fossile brændstoffer, minedrift eller affaldsforbrænding," sagde Soroush. "Det ændrer hurtigt sin kemiske form - hvilket øger dets toksicitet og gør det enormt vanskeligt at fjerne fra vandmasserne, hvor det uundgåeligt akkumuleres. Så for at tiltrække kviksølvioner endnu hurtigere var vi nødt til at modificere overfladen af ​​titaniumcarbid MXene-flager."

Der er en naturlig tiltrækning mellem kviksølvioner og titaniumcarbid MXene-overfladen, da metalioner, ligesom kviksølv, er positivt ladede og overfladen af ​​MXene-flagerne er negativt ladede. Men for at trække kviksølvioner op af vandet stærkere var holdet nødt til at give denne attraktion et løft. Til dette formål behandlede de MXene-flagerne med chloreddikesyre - en proces kaldet carboxylering - som forsyner MXene med meget mobile, stærke carboxylsyregrupper og øger MXene-flagernes overflade negativ ladning, hvilket forbedrer flagernes evne til at tiltrække og fastholde kviksølvioner.

Resultatet var et nyt sorberende materiale - carboxyleret titaniumcarbid MXene, der viste en hurtigere kviksølvionoptagelse og større kapacitet end alle kommercielt tilgængelige adsorbenter, ifølge forskerne.

"Carboxyleret titaniumcarbid MXene viste sig at være langt bedre end sorbentmateriale, der i øjeblikket bruges til fjernelse af kviksølvioner," sagde Soroush. "Inden for et minut var den i stand til at fjerne 95 % af kviksølvioner fra en vandprøve, der var forurenet med en koncentration på 50 ppm, hvilket betyder, at den kunne være effektiv og effektiv nok til brug i storstilet spildevandsrensning."

Inden for fem minutter fjernede titaniumcarbid MXene og carboxyleret titaniumcarbid MXene 98 % af kviksølvioner fra en 10-milliliter vandprøve kontamineret med kviksølvioner i koncentrationer mellem 1 og 1000 ppm.

"Dette indikerer, at både [MXene] og [carboxyleret MXene] er effektive adsorbenter til at fjerne kviksølvioner fra spildevand på grund af deres særlige strukturelle egenskaber og høj tæthed af overfladefunktionelle grupper," skrev holdet. "Generelt følger adsorptionsmekanismen for metalioner to trin; i første omgang adsorberes ionerne hurtigt på de tilgængelige aktive steder, og processen er hurtig. Adsorptionen forløber langsommere, efterhånden som adsorptionsstederne fyldes op, og ionerne er forpligtet til at diffunderer ind i porerne og mellemlaget."

Udviklingen er markant i kampen for at begrænse kviksølvforureningen, som er blevet så udbredt, at sundhedsmyndighederne anbefaler helt at undgå at spise visse fiskearter. Bestræbelser på at begrænse det kviksølv, der frigives ved afbrænding af fossile brændstoffer, har vist sig lige så udfordrende som at reducere afhængigheden af ​​selve brændstofferne.

Selvom det at flytte væk fra de forurenende energikilder er den ultimative løsning til at forhindre udslip af tungmetaller, såsom kviksølv i miljøet, foreslår Soroush, at dette gennembrud kan føre til nye muligheder for at rydde op i den forurening, der allerede er skabt.

"Vi forestiller os, at brugen af ​​den carboxylerede MXene-teknologi til at fjerne alle tungmetalioner," sagde han. "Udover at bruge den carboxylerede MXene som sorbent, er en anden måde at opnå dette på at fremstille filtre, der er coatet eller indlejret med den carboxylerede MXene." + Udforsk yderligere

Titaniumcarbid flager opnået ved selektiv ætsning af titanium siliciumcarbid