Wetenschappers van de Nagoya University hebben een fabricageproces in één stap ontwikkeld dat het vermogen van nanokoolstoffen om giftige zware metaalionen uit water te verwijderen, verbetert. De bevindingen, gepubliceerd in het tijdschrift ACS Applied Nano Materials, zou kunnen bijdragen aan inspanningen om de universele toegang tot schoon water te verbeteren.

Verschillende nanokoolstoffen worden bestudeerd en gebruikt voor het zuiveren van water en afvalwater door het adsorberen van kleurstoffen, gassen, organische verbindingen en giftige metaalionen. Deze nanokoolstoffen kunnen zware metaalionen adsorberen, zoals lood en kwik, op hun oppervlak door moleculaire aantrekkingskrachten. Maar deze aantrekkingskracht is zwak, en dus zijn ze op zichzelf niet erg efficiënte adsorbentia.

Om de adsorptie te verbeteren, wetenschappers overwegen moleculen toe te voegen aan de nanokoolstoffen, zoals aminogroepen, die sterkere chemische bindingen vormen met zware metalen. Ze proberen ook manieren te vinden om alle beschikbare oppervlakken op nanokoolstoffen te gebruiken voor adsorptie van metaalionen, inclusief de oppervlakken van hun binnenste poriën. Dit zou hun capaciteit vergroten om meer metaalionen tegelijk te adsorberen.

Materiaalwetenschapper Nagahiro Saito van Nagoya University's Institute of Innovation for Future Society en collega's ontwikkelden een nieuwe methode voor het synthetiseren van een "amino-gemodificeerde nanokoolstof" die efficiënter verschillende zware metaalionen adsorbeert in vergelijking met conventionele methoden.

Ze mengden fenol, als koolstofbron, met een verbinding genaamd APTES, als bron van aminogroepen. Dit mengsel werd in een glazen kamer geplaatst en blootgesteld aan een hoge spanning, het creëren van een plasma in vloeistof. De methode die ze gebruikten, genaamd "oplossing plasma proces, " werd gedurende 20 minuten gehandhaafd. Er vormden zich zwarte precipitaten van met amino gemodificeerde koolstoffen en werden verzameld, gewassen en gedroogd.

Verschillende tests toonden aan dat aminogroepen gelijkmatig waren verdeeld over het oppervlak van nanokoolstof, inclusief in zijn spleetachtige poriën.

"Ons eenstapsproces vergemakkelijkt de binding van aminogroepen op zowel de buiten- als de binnenoppervlakken van de poreuze nanokoolstof, ", zegt Saito. "Dit verhoogde hun adsorptiecapaciteit drastisch in vergelijking met een nanokoolstof alleen."

Ze lieten de amino-gemodificeerde nanokoolstoffen door tien cycli van koperadsorberen, zink- en cadmiummetaalionen, was ze tussen elke cyclus. Hoewel het vermogen om metaalionen te adsorberen afnam met herhaalde cycli, de afname was klein, waardoor ze relatief stabiel zijn voor herhaald gebruik.

Eindelijk, het team vergeleek hun amino-gemodificeerde nanokoolstoffen met vijf andere die met conventionele methoden waren gesynthetiseerd. Hun nanokoolstof had de hoogste adsorptiecapaciteit voor de geteste metaalionen, wat aangeeft dat er meer aminogroepen op hun nanokoolstof zitten dan de andere.

"Ons proces kan helpen de kosten van waterzuivering te verlagen en ons dichter bij het bereiken van universele en rechtvaardige toegang tot veilig en betaalbaar drinkwater voor iedereen tegen 2030, ' zegt Saito.