Buckyballs giver miljømæssige fordele

Behandlede buckyballs fjerner ikke kun værdifulde, men potentielt giftige metalpartikler fra vand og andre væsker, men også reserver dem til fremtidig brug, ifølge forskere ved Rice University.

Kemikeren Andrew Barrons rislaboratorium har opdaget, at kulstof-60 fullerener (alias buckyballs), der har gennemgået den kemiske proces kendt som hydroxylering, kan aggregere til perlelignende strenge, når de binder til og adskiller metaller - nogle bedre end andre - fra opløsninger . Potentielle anvendelser af processen omfatter miljøvenlig fjernelse af metaller fra sure minedriftsdrænvæsker, et affaldsprodukt fra kulindustrien, samt fra væsker, der anvendes til hydraulisk frakturering i olie- og gasproduktion.

Barron sagde, at de behandlede buckyballs håndterede metaller med forskellige ladninger på uventede måder, som kan gøre det muligt at trække bestemte metaller fra komplekse væsker, mens andre ignoreres.

Undersøgelsen ledet af Rice undergraduate Jessica Heimann dukkede op i Royal Society of Chemistry journal Dalton-transaktioner .

Tidligere forskning i Barrons laboratorium havde vist, at hydroxylerede fullerener (kendt som fullerenoler) kombineret med jernioner for at danne en uopløselig polymer. Heimann og kolleger udførte en række eksperimenter for at udforske fullerenolers relative bindingsevne til en række metaller.

"Det er meget godt at sige, at jeg kan tage metaller ud af vandet, men for mere komplekse væsker, problemet er at tage dem ud, du rent faktisk vil have, " sagde Barron. "Surt mineaffald, for eksempel, har store mængder jern og aluminium og små mængder nikkel og zink og kobber, dem du ønsker. For at være ærlig, jern og aluminium er ikke de værste metaller at have i dit vand, fordi de er i naturligt vand, alligevel.

"Så vores mål var at se, om der er en præference mellem forskellige typer metal, og vi fandt en. Så var spørgsmålet:Hvorfor?"

Svaret lå i ionerne. Et atom eller molekyle med flere eller færre elektroner end protoner er en ion, med en positiv eller negativ ladning. Alle de metaller, som rislaboratoriet testede, var positive, med enten 2-plus eller 3-plus opladninger.

"Normalt, jo større metal, jo bedre adskiller det, " sagde Barron, men eksperimenter viste det modsatte. To-plus metaller med en mindre ionisk radius bundet bedre end større. (Af disse, zink bundet mest tæt.) Men for 3-plus ioner, store fungerede bedre end små.

"Det er virkelig mærkeligt, " sagde Barron. "Det faktum, at der er diametralt modsatte tendenser for metaller med en 2-plus ladning og metaller med en 3-plus ladning gør dette interessant. Resultatet er, at vi fortrinsvis bør være i stand til at adskille de metaller, vi ønsker."

Eksperimenterne viste, at fullerenoler kombineret med et dusin metaller, gør dem til faste tværbundne polymerer. I rækkefølge efter effektivitet og begyndende med det bedste, metallerne var zink, kobolt, mangan, nikkel, lanthan, neodym, cadmium, kobber, sølv, kalk, jern og aluminium.

"Perle"-referencen er ikke langt fra bogstavelig, som en inspiration for papiret var det faktum, at metalioner er tværbindingsmidler for proteiner, der giver visse havmuslinger en fantastisk evne til at klæbe til våde sten.

Heimann, en senior, startede på projektet, inden han tilbragte et semester på Rices søsterinstitution i Tyskland, Jacobs Universitet. "Jeg arbejdede oprindeligt med kulstof nanorør, oxidere dem for at se, hvordan de ville binde metaller, og så tog jeg til udlandet, sagde hun. Da hun kom tilbage, Barron var klar til at prøve C-60. "Kommer fra Rice og dens historie med buckyballs, Jeg troede det ville være rigtig fedt, sagde Heimann.

"Jeg kunne godt lide at kunne se slutmålet med at lave et filter, der kunne bruges til at behandle forurenet vand, " hun sagde.

Barron sagde, at fullerenoler fungerer som chelatmidler, som bestemmer hvordan ioner og molekyler binder til metalioner. Eksperimenter med forskellige metaller viste, at fullerenolerne var bundet til dem på mindre end et minut, hvorefter de kombinerede faste stoffer kunne filtreres fra.

Barron sagde, at valgene af aluminium, zink og nikkel til test skyldtes deres tilstedeværelse sammen med jern i surt minedriftsdrænvand. Tilsvarende cadmium blev testet for dets sammenhæng med gødning og spildevandsslam og kobber med mineudledning. Nikkel, lanthan og neodym bruges i batterier og drivmotorer i hybridbiler.

Barron sagde, at forskningen viser buckyballens alsidighed, opdaget ved Rice i 1985 af nobelprisvinderne Rick Smalley, Robert Curl og Harold Kroto. Det viser også vejen frem. "Den forståelse, vi nu har, giver os mulighed for at finde alternativer til C-60'ere for at designe måder, hvorpå vi kan adskille metaller mere effektivt, " han sagde.