Природный материал для удаления меди из сточных вод на атомном уровне

Кристаллы ZIOS остаются стабильными в воде до 52 дней. В отличие от металлоорганических каркасов, разработанный материал хорошо работает в кислых растворах с тем же диапазоном pH, который характерен для кислотных шахтных сточных вод. Кроме того, ZIOS избирательно захватывает ионы меди в 30-50 раз быстрее, чем современные адсорбенты меди

Люди используют воду, чтобы утолять жажду и осуществлять полив сельскохозяйственных угодий. Но что делать, когда некогда чистая вода загрязнена сточными водами заброшенных медных рудников?

Многообещающее решение использует фильтрующие материалы, которые захватывают атомы тяжелых металлов, такие как ионы меди, из сточных вод посредством процесса, называемого адсорбцией.

На данный момент нет коммерчески выгодных способов улавливания ионов меди из воды из-за их химической специфичности и недостаточной пропускной способности фильтрующего оборудования.

Группа ученых разработала материал под названием ZIOS (цинк имидазол салицилальдоксим), который захватывает ионы меди из сточных вод с беспрецедентной точностью и скоростью. В статье, опубликованной в журнале Nature Communications [1], ученые говорят, что ZIOS предлагает водохозяйственной отрасли и исследовательскому сообществу технологию очистки воды, намного превосходящую современный уровень технических достижений, с помощью которой можно контролируемо улавливать определенные ионы тяжелых металлов на атомном уровне.

«ZIOS обладает высокой адсорбционной способностью и самой быстрой кинетикой улавливания меди из всех известных на сегодняшний день материалов, характеризующихся как все в одном».

Это исследование воплощает в жизнь ранние научные работы, связанные с проектированием, синтезом и конструированием материалов, функционирующих в наномасштабе (миллиардные доли метра) для решения сложных задач в медицине, катализе, возобновляемых источниках энергии и многом другом.

«Исследовали пытались имитировать сложные функции, выполняемые природой», например, когда белки, входящие в состав бактериальной клетки, улавливают определенные металлы для осуществления клеточного метаболизма».

«ZIOS позволяет улавливать и извлекать из воды только медь, загрязняющее вещество, которое вызывает болезни различных органов, без удаления полезных ионов химических элементов, таких как питательные вещества или необходимые для жизнедеятельности организма минералы».

Такая специфичность на атомном уровне приводит к более доступным методам очистки воды и в перспективе дает возможность извлечения из нее драгоценных металлов. «Существующие системы очистки воды - это технологии объемного разделения - они удаляют все растворенные в ней вещества, независимо от их опасности или ценности». «Высокоселективные, прочные материалы, которые могут улавливать определенные компоненты, не отвлекаясь на другие растворенные элементы и не распадаясь со временем, будут иметь решающее значение для снижения эксплуатационных затрат и потребления энергии в процессе очистки воды».

Удаление из воды ионов тяжелых металлов на атомном уровне

Кристаллы ZIOS остаются стабильными в воде до 52 дней. В отличие от металлоорганических каркасов, разработанный материал хорошо работает в кислых растворах с тем же диапазоном pH, который характерен для кислотных шахтных сточных вод. Кроме того, ZIOS избирательно захватывает ионы меди в 30-50 раз быстрее, чем современные адсорбенты меди.

Эти показатели поначалу застали исследователей врасплох. «Сначала они подумали, что это ошибка, потому что кристаллы ZIOS имеют сравнительно очень низкую площадь поверхности, а, согласно общепринятым представлениям, используемый материал должен иметь большую удельную площадь, как и другие семейства адсорбентов, такие как металлоорганические или пористые ароматические каркасы, чтобы обладать высокой адсорбционной способностью и быстротой кинетического процесса».

Чтобы выяснить причину происходящего было проведено молекулярное моделирование. Модель показала, что ZIOS при погружении в водную среду «работает как губка, но более структурированным образом». «В отличие от губки, которая впитывает воду и расширяет свою структуру в случайных направлениях, ZIOS расширяется только в определенных, адсорбируя молекулы воды».

Наблюдения с применением рентгеновского излучения показали, что крошечные поры (наноканалы) материала величиной всего 2-3 ангстрем также расширяются при погружении в воду. Это расширение запускается «сетью из водородных связей», которая создается, когда ZIOS взаимодействует с окружающими молекулами воды.

Это расширение наноканалов позволяет молекулам воды, несущим ионы меди, проходить в большем количестве. Во время этого процесса происходит химическая реакция, называемая «координационная связь» между ионами меди и ZIOS.

Дополнительные эксперименты с использованием рентгеновского излучения показали, что ZIOS обладает высокой селективностью по отношению к ионам меди при pH ниже 3. Это важное открытие, поскольку pH кислотных шахтных дренажных вод обычно составляет 4 или ниже.

Кроме того, когда вода уходит из материала, его кристаллическая решетка сжимается до своего первоначального размера менее чем за 1 наносекунду (миллиардную долю секунды).

«В науке о воде и водной промышленности для обеззараживания сточных вод разработано множество семейств материалов, но лишь немногие из них могут быть использованы для удаления тяжелых металлов из кислотных шахтных стоков».

Ссылки:

1. https://doi.org/10.1038/s41467-020-17757-6

Источник: Berkeley Lab