Nanojars fanger opløst kuldioxid, giftige ioner fra vand

Kuldioxid fra atmosfæren kan opløses i havene, søer og damme, dannelse af bicarbonationer og andre forbindelser, der ændrer vandkemien, med mulige skadelige virkninger på organismer, der lever i vand. Ud over, bikarbonat kan komme tilbage i atmosfæren som kuldioxid senere, bidrager til klimaforandringerne. Nu, forskere har udviklet små "nanojars, "meget mindre end bredden af ​​et menneskehår, der spalter bikarbonat til karbonat og opfanger det, samt visse giftige anioner, så ionerne kan fjernes og potentielt genbruges.

Forskerne vil præsentere deres resultater i dag på efterårsmødet i American Chemical Society (ACS).

"Vi udviklede oprindeligt nanojars til at udvinde skadelige negativt ladede ioner, som kromat og arsenat, fra vand, " siger Gellert Mezei, Ph.D., hvem der præsenterer arbejdet på mødet. "Men det viser sig, at de også binder stærkt til karbonat." Carbonat eller andre ioner fanget i nanoglassene kunne senere bortskaffes eller genbruges til nyttige produkter, han siger.

Nanojars er små beholdere, der består af flere gentagne enheder af en kobberion, en pyrazolgruppe og et hydroxid. Krukkerne dannes kun, når en ion med -2 ​​ladning, såsom kromat, arsenat, fosfat eller karbonat, er til stede. Når de rigtige ingredienser tilsættes til et organisk opløsningsmiddel, de gentagne enheder dannes og samles til nanojars, med -2 ​​ladede anion bundet tæt i midten.

For at fjerne anioner fra vand, forskerne tilføjede opløsningsmidlet indeholdende nanojar-komponenterne, som dannede et organisk lag oven på vandet. "Opløsningsmidlet blandes ikke med vandet, men anionerne fra vandet kan trænge ind i dette organiske lag, " forklarer Mezei, der er på Western Michigan University. "Derefter, nanojarsene dannes og vikler sig om ionerne, fanger dem i den organiske fase." Fordi vandet og de organiske lag ikke blandes, de kan nemt skilles ad. Behandling af det organiske lag med en svag syre får nanoglassene til at falde fra hinanden, frigivelse af anionerne til bortskaffelse eller genbrug.

Forskerne har brugt nanojars til at fjerne giftige anioner fra vand. "Vi har vist, at vi kan udvinde kromat og arsenat til under US Environmental Protection Agency tilladte niveauer for drikkevand - virkelig, virkelig lave niveauer, " siger Mezei. Nanoglassene har en endnu højere affinitet til carbonat, og tilføje et molekyle kaldet 1, 10-phenanthrolin til blandingen producerer nanojars, der binder to carbonationer hver i stedet for én.

Holdet har også lavet nanojars, der er selektive for visse anioner. "Den originale pyrazol-byggesten laver nanojars, der er totalt selektive for –2 ladede ioner, men de kan ikke skelne mellem disse ioner, " siger Mezei. Ved at bruge to pyrazoler bundet af en ethylenlinker som byggesten, forskerne lavede nanojars, der fortrinsvis binder til carbonat. For nylig, de har vist, at brug af to pyrazoler med en propylenlinker producerer sulfat-selektive nanojars. Disse anion-selektive nanojars vil være vigtige til applikationer, hvor kun visse -2 ladede ioner bør fjernes.

Forskerne har også arbejdet på at gøre processen mere velegnet til applikationer i den virkelige verden. For eksempel, de har byttet en svag base, trioktylamin, for den stærke base, natriumhydroxid, oprindeligt brugt til at lave nanojars. "Trioctylamin, i modsætning til natriumhydroxid, er opløselig i den organiske fase og gør dannelsen af ​​nanojars meget mere effektiv, " siger Mezei. Interessant nok, trioctylamin får nanojars til at dannes med lidt forskellige strukturer, som han refererer til som "capped" nanojars, men de ser ud til at binde carbonat lige så tæt.

Indtil nu, alle forsøgene er udført i laboratorieskala. Udvikling af et system til behandling af store mængder vand, som i en sø, vil kræve samarbejde med ingeniører, siger Mezei. Imidlertid, han forestiller sig, at forurenet søvand kunne pumpes ind på en station til behandling og derefter returneres til søen. Nogle ioner, såsom fosfat, kunne genbruges til nyttige formål, såsom gødning. Carbonat kan genbruges til at lave "grønne" opløsningsmidler, kaldet carbonate estere, til selve nanojar-udvindingen. "Hvorvidt denne proces til fjernelse af kuldioxid fra vand –– og indirekte, atmosfæren –– ville være konkurrencedygtig med andre teknologier, som jeg ikke ved endnu, " siger Mezei. "Der er mange aspekter, der skal tages i betragtning, og det er en vanskelig forretning."