We zijn afhankelijk van water om onze dorst te lessen en om overvloedige landbouwgrond te irrigeren. Maar wat doe je als dat ooit ongerepte water vervuild is met afvalwater van verlaten kopermijnen?

Een veelbelovende oplossing is gebaseerd op materialen die zware metaalatomen opvangen, zoals koperionen, uit afvalwater via een scheidingsproces dat adsorptie wordt genoemd. Maar in de handel verkrijgbare producten voor het afvangen van koper-ionen missen nog steeds de chemische specificiteit en het laadvermogen om zware metalen precies van water te scheiden.

Nutsvoorzieningen, een team van wetenschappers onder leiding van het Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) van het Department of Energy heeft een nieuw materiaal ontworpen - ZIOS (zinkimidazol salicylaldoxime) genaamd - dat koperionen uit afvalwater met ongekende precisie en snelheid oppakt en vasthoudt. In een paper onlangs gepubliceerd in het tijdschrift Natuurcommunicatie , de wetenschappers zeggen dat ZIOS de waterindustrie en de onderzoeksgemeenschap de eerste blauwdruk biedt voor een waterzuiveringstechnologie die specifieke zware metaalionen opruimt met een mate van controle op atomair niveau die de huidige stand van de techniek ver overtreft.

"ZIOS heeft een hoge adsorptiecapaciteit en de snelste koperadsorptiekinetiek van alle materialen die tot nu toe bekend zijn - alles in één, " zei senior auteur Jeff Urban, die de Inorganic Nanostructures Facility leidt in de Molecular Foundry van Berkeley Lab.

Dit onderzoek belichaamt het kenmerkende werk van de Molecular Foundry:het ontwerp, synthese, en karakterisering van materialen die op nanoschaal (miljardsten van een meter) zijn geoptimaliseerd voor geavanceerde nieuwe toepassingen in de geneeskunde, katalyse, hernieuwbare energie, en meer.

Bijvoorbeeld, Urban heeft veel van zijn onderzoek gericht op het ontwerp van superdunne materialen van zowel harde als zachte materie voor een verscheidenheid aan toepassingen, van kosteneffectieve waterontzilting tot zelfassemblerende 2D-materialen voor toepassingen op het gebied van hernieuwbare energie.

"En wat we hier probeerden na te bootsen, zijn de geavanceerde functies die door de natuur worden uitgevoerd, " zoals wanneer eiwitten waaruit een bacteriële cel bestaat, bepaalde metalen selecteren om het cellulaire metabolisme te reguleren, zei hoofdauteur Ngoc Bui, een voormalig postdoctoraal onderzoeker in de Molecular Foundry van Berkeley Lab, die nu een assistent-professor in de chemie is, biologisch, en materiaalkunde aan de Universiteit van Oklahoma.

"ZIOS helpt ons bij het kiezen en verwijderen van alleen koper, een verontreiniging in water die in verband is gebracht met ziekten en orgaanfalen, zonder de gewenste ionen te verwijderen, zoals voedingsstoffen of essentiële mineralen, " voegde ze eraan toe.

Een dergelijke specificiteit op atomair niveau zou ook kunnen leiden tot meer betaalbare waterbehandelingstechnieken en de terugwinning van edele metalen helpen. "De huidige waterbehandelingssystemen zijn 'bulkscheidingstechnologieën' - ze halen alle opgeloste stoffen eruit, ongeacht hun gevaar of waarde, " zei co-auteur Peter Fiske, directeur van de National Alliance for Water Innovation (NAWI) en het Water-Energy Resilience Institute (WERRI) in Berkeley Lab. "Zeer selectief, duurzame materialen die specifieke sporenbestanddelen kunnen opvangen zonder te worden belast met andere opgeloste stoffen, of uit elkaar vallen met de tijd, zal van cruciaal belang zijn bij het verlagen van de kosten en energie van waterbehandeling. Ze kunnen ons ook in staat stellen om afvalwater te 'mijnen' voor waardevolle metalen of andere sporenbestanddelen."

Opvang van zware metalen op atomair niveau

Stedelijk, Bui, en co-auteurs melden dat ZIOS-kristallen zeer stabiel zijn in water - tot 52 dagen. En in tegenstelling tot metaal-organische raamwerken, het nieuwe materiaal presteert goed in zure oplossingen met hetzelfde pH-bereik van zuur mijnafvalwater. In aanvulling, ZIOS vangt selectief koperionen 30-50 keer sneller op dan de modernste koperadsorptiemiddelen, zeggen de onderzoekers.

Deze resultaten verrasten Bui. "Eerst dacht ik dat het een vergissing was, omdat de ZIOS-kristallen een zeer laag oppervlak hebben, en volgens de conventionele wijsheid, een materiaal moet een hoog specifiek oppervlak hebben, zoals andere families van adsorbentia, zoals metaal-organische raamwerken, of poreuze aromatische raamwerken, een hoge adsorptiecapaciteit en een extreem snelle adsorptiekinetiek hebben, "zei ze. "Dus ik vroeg me af, 'Misschien is er iets dynamischers aan de hand in de kristallen.'"

Er achter komen, ze rekruteerde de hulp van mede-hoofdauteur Hyungmook Kang om moleculaire dynamica-simulaties uit te voeren bij de Molecular Foundry. Kang is een afgestudeerde student-onderzoeker in het Urban Lab van Berkeley Lab's Molecular Foundry en een Ph.D. student aan de afdeling werktuigbouwkunde aan UC Berkeley.

Kangs modellen onthulden dat ZIOS, wanneer ondergedompeld in een waterige omgeving, "werkt als een spons, maar op een meer gestructureerde manier, "zei Bui. "In tegenstelling tot een spons die water absorbeert en zijn structuur in willekeurige richtingen uitzet, ZIOS zet uit in specifieke richtingen terwijl het watermoleculen adsorbeert."

Röntgenexperimenten in de geavanceerde lichtbron van Berkeley Lab onthulden dat de kleine poriën of nanokanalen van het materiaal - slechts 2-3 angstrom, de grootte van een watermolecuul - zet ook uit als het in water wordt ondergedompeld. Deze uitbreiding wordt veroorzaakt door een 'waterstofbindingsnetwerk, ' die ontstaat als ZIOS interageert met de omringende watermoleculen, legde Bui uit.

Door deze uitbreiding van de nanokanalen kunnen watermoleculen met koperionen op grotere schaal stromen, waarbij een chemische reactie genaamd "coördinatiebinding" tussen koperionen en ZIOS plaatsvindt.

Aanvullende röntgenexperimenten toonden aan dat ZIOS zeer selectief is voor koperionen bij een pH lager dan 3 - een significante bevinding, aangezien de pH van zure mijndrainage typisch een pH van 4 of lager is.

Verder, de onderzoekers zeiden dat wanneer water uit het materiaal wordt verwijderd, zijn kristalroosterstructuur trekt samen tot zijn oorspronkelijke grootte binnen minder dan 1 nanoseconde (miljardste van een seconde).

Co-auteur Robert Kostecki schreef het succes van het team toe aan hun interdisciplinaire aanpak. "De selectieve winning van elementen en mineralen uit natuurlijke en geproduceerde wateren is een complex wetenschappelijk en technologisch probleem, " zei hij. "Voor deze studie, we maakten gebruik van de unieke mogelijkheden van Berkeley Lab op het gebied van nanowetenschap, Milieuwetenschappen, en energietechnologieën om een ​​fundamentele ontdekking van materiaalwetenschappen om te zetten in een technologie met een groot potentieel voor impact in de echte wereld." Kostecki is de directeur van de divisie Energy Storage and Distributed Resources in de Energy Technologies Area van Berkeley Lab, en Materials and Manufacturing R&D onderwerpgebied leidend in NAWI.

De onderzoekers zijn vervolgens van plan om nieuwe ontwerpprincipes te onderzoeken voor de selectieve verwijdering van andere verontreinigende stoffen.

"In de waterwetenschap en de waterindustrie, talloze materiaalfamilies zijn ontworpen voor de decontaminatie van afvalwater, maar weinigen zijn ontworpen voor het verwijderen van zware metalen uit zure mijnafvoer. We hopen dat ZIOS daar verandering in kan brengen, ' zei Urbanus.