Nano-svampe med potentiale for hurtig spildevandsrensning

Effektive adsorbenter til industriel spildevandsrensning er vigtige for at minimere potentielle miljøskader. Især organiske farvestoffer, som en betydelig gruppe af industrielle forurenende stoffer, er normalt meget vandopløselige, ikke-nedbrydelige og mange er giftige for kræftfremkaldende. Changxia Li og Freddy Kleitz fra Det Kemiske Fakultet ved Wiens Universitet præsenterede nu sammen med kolleger en ny tilgang til at designe et innovativt kompositmateriale, bestående af en nanoporøs, ultratynd kovalent organisk ramme (COF) forankret på grafen, som er yderst effektiv ved at filtrere organiske forurenende stoffer fra vand. Undersøgelsen blev offentliggjort i Angewandte Chemie .

"Der er flere måder, herunder aktiverede kulfiltre, at rense vand på i dag, men der er stadig plads til forbedringer i effektiviteten eller adsorptionskapaciteten af ​​applikationerne," siger førsteforfatter og postdoc-forsker Changxia Li.

Freddy Kleitzs gruppe ved Institut for Uorganisk Kemi—Functional Materials er ved at udvikle nye nanoporøse materialer. Porøse materialer har et meget større samlet overfladeareal end et ikke-porøst materiale for samme volumen og kan således ophobe et særligt stort antal molekyler på overfladerne i løbet af adsorptionen.

Meget porøs COF som en ny klasse af materialer

Kovalente organiske rammer (COF'er) er en relativt ny klasse af materialer. De er særligt porøse, samtidig med at de er lav-densitet og lette. Kovalent betyder, at deres kemiske bindinger dannes via elektronpar mellem atomer.

Farvestofferne, som forskerne undersøgte i deres vandige modelopløsning, var omkring 0,8 til 1,6 nanometer i størrelse. "Vi udviklede en ny metode til at danne COF på en forholdsvis miljøvenlig måde ved hjælp af vand. Som sådan var vi i stand til at udvikle små 'svampe' med designet porestørrelser og poreformer i nanometerområdet, samt et tunet negativ overfladeladning, som var meget selektiv til at trække de positivt ladede målmolekyler, dvs. vores farvestoffer, ud af vandet," sagde forskerne, "Ligesom svampen opsuger vandet, er det kun i vores tilfælde forureningerne."

En rygrad lavet af grafen

Ved anvendelse af bulk COF-pulver er materialets indre porer ofte ikke længere tilgængelige for forurenende stoffer på grund af poreblokering i yderkanten, især for store forurenende molekyler. Det nye kompositmateriale, der er udviklet af forskerne, tilbyder en helt igennem permeabel struktur:Til dette formål dyrkede forskerne COF på tyndtlagede grafen nanoark. Kombinationen af ​​grafen – i sig selv allerede et 2D-lag af kulstofatomer – og laget af COF, som er op til to nanometer tykt, resulterede i en kompakt, åben 3D-struktur. Det ultratynde COF-lag kunne blotlægge flere adsorptionssteder end COF-pulveret i bulk.

På den anden side understøtter grafennetværkets større, honeycomb-lignende porer transporten af ​​vand gennem filtermaterialet. "De store porer i grafennetværket i kombination med det ultratynde COF-lag med store mængder adsorptionssteder muliggør derfor en særlig hurtig og effektiv spildevandsrensning," sagde forskerne. På grund af den forholdsvis lave materialeinput af grafen samt muligheden for at genbruge kompositmaterialet - efter at forureningerne er blevet vasket ud - som et filter, er udviklingen også relativt omkostningseffektiv, sagde de. + Udforsk yderligere

Vandklynger i hydrofobe krystallinske porøse kovalente organiske rammer