Энергетика, природные ресурсы, инженерные системы

Информационный портал ТЕПЛОКАРТА
  • Главная
    • Главная

      • Твердотопливные котлы и печи, камины
      • Системы отопления и охлаждения
      • Альтернативная энергия
      • Водоснабжение и водоотведение
      • Вентиляция и кондиционирование
      • Оборудование и материалы
      • Энергоэффективность и энергосбережение
      • Природные ресурсы, экология и строительство
      • Ядерная энергетика
      • Новости, обзоры, события
      • Исследования
  • Указатель терминов
  • Облако тегов
  • О портале
    • О портале

      • Разместить статью
Слева направо: принципиальная схема структуры ZIOS и изображение, полученное с помощью сканирующей электронной микроскопии, образца сцепки ZIOS-меди на кремниевой пластине. Предоставлено: Berkeley Lab
Слева направо: принципиальная схема структуры ZIOS и изображение, полученное с помощью сканирующей электронной микроскопии, образца сцепки ZIOS-меди на кремниевой пластине. Предоставлено: Berkeley Lab

Природный материал для удаления меди из сточных вод на атомном уровне

Водоснабжение и водоотведение

Опубликовано: 28.11.2020

Обновлено: 28.11.2020

 916

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

0.00%
0 0
 Теги:

Публикации на похожую тему:

Фото: Myballito. www.focus.jor.br

Стремление к прогрессу в технологиях опреснения воды

Обновлено: 15.10.2020
 1488
Фото с сайта https://hwd.com

Опреснительные установки покроют дефицит питьевой воды

Обновлено: 17.04.2020
 2049
Исследователи разработали устройство, которое может преобразовывать отходы от опреснительных установок в коммерчески ценные химикаты. Предоставлено: Pixabay / Jarmoluk

Более эффективный и доступный процесс опреснения воды

Обновлено: 09.07.2020
 1162

Комментарии ()

    Написать комментарий

    Недавние публикации

    Сравнение систем отопления

    Системы отопления для частного дома: сравнение теплого пола и радиаторов, преимущества комбинированного подхода

    Обновлено: 13.11.2024  225
    Центробежные одноступенчатые насосы для сточных вод JETEX KНF/KVF

    Центробежные насосы для сточных вод JETEX - обзор

    Обновлено: 30.01.2024  1804
    Горизонтальный резервуар

    Важные критерии при заказе изготовления горизонтальных резервуаров

    Обновлено: 29.11.2023  1432

    Популярные категории

    • Твердотопливные котлы и печи, камины34
    • Природные ресурсы, экология и строительство91
    • Энергоэффективность и энергосбережение44
    • Исследования40
    • Водоснабжение и водоотведение23

    Разместить статью

    Портал TEPLOKARTA.RU доступен в Google Play

    Ссылки:

    • Контакты
    • Разместить статью
    • Конфиденциальность
    VK Telegram

    © 2024 Россия. Копировать без ссылки запрещено.  TEPLOKARTA.RU

    Отправить сообщение об ошибке?

    Ошибка:
    Выделите опечатку и нажмите Ctrl + Enter, чтобы отправить сообщение об ошибке.