Synthetische kleurstoffen zijn veelvoorkomende ingrediënten in de textielindustrie, maar vanwege hun algemeen gebruik, ze vinden vaak hun weg naar waterlichamen uit industrieel afvalwater, waar ze het water vervuilen en de waterveiligheid bedreigen.

Het verwijderen van deze vervuilende kleurstoffen kan worden bereikt door adsorptie, waar de kleurstoffen worden verzameld in de poriën van zeer poreuze materialen die de verontreinigende stoffen uit het water opscheppen en in de poriën opsluiten.

Dr. Dinesh Shetty, Universitair Docent Scheikunde, heeft een afstembare, tweedimensionaal polymeer netwerk van een organische macrocyclus genaamd calixarenen die selectief giftige kleurstoffen uit afvalwater kan adsorberen.

Dr. Shetty is lid van het Khalifa University Center for Catalysis and Separation (CeCaS), een van de 18 gespecialiseerde onderzoekscentra van de KU. CeCaS-onderzoek is gericht op het ontwikkelen van praktische oplossingen voor uitdagingen op het gebied van chemische technologie waarmee verschillende industrieën tegenwoordig worden geconfronteerd. In samenwerking met onderzoekers van de New York University Abu Dhabi, Dr. Shetty heeft een nieuwe structuur ontwikkeld met behulp van calixarenen om kleurstoffen selectief en efficiënt uit afvalwater te verwijderen. Hun werk is onlangs gepubliceerd in de Tijdschrift van de American Chemical Society en verscheen als een coverartikel.

Calixarenen zijn komvormige organische moleculen die bestaan ​​uit gedefinieerde hydrofobe holten. Deze unieke eigenschap maakt gastheer-gast-chemie mogelijk waarbij calixarenen de gastheer spelen voor kleine moleculen en/of ionen.

"Calixarene-moleculen zijn uitgebreid gebruikt als veelzijdige supramoleculaire bouwstenen, " legde Dr. Shetty uit. "Dit komt door hun vermogen om verschillende conformaties aan te nemen, die verwijst naar de ruimtelijke ordening van atomen in een molecuul, en het relatieve gemak waarmee ze kunnen worden gefunctionaliseerd, wat verwijst naar hoe gemakkelijk een calixareen nieuwe functies kan aannemen, Kenmerken, mogelijkheden, of eigenschappen door de oppervlaktechemie te veranderen."

Dit geldt met name voor calix[4]arenen waar de ring uit vier aromatische ringen bestaat. Calixarenen werken als uitstekende adsorbeerders, maar in de monomeervorm, ze kunnen worden opgelost in sommige oplosmiddelen, die hun praktisch gebruik in de weg zouden staan.

In een macroscopische architectuur, echter, calixarenen worden onoplosbaar in bijna elk oplosmiddel, vooral in water.

Om calixarenen te creëren met een macroscopische architectuur, Dr. Shetty en zijn team wendden zich tot covalente organische raamwerken, of COF's. COF's zijn een klasse van materialen die twee- of driedimensionale structuren vormen door reacties tussen hun organische componenten, resulterend in sterke, covalente bindingen die poreuze, kristallijne materialen.

"COF's hebben bewezen een belangrijke klasse van poreuze materialen te zijn vanwege hun goed gedefinieerde structuren, afstembare poriënfunctionaliteit, en goede chemische stabiliteit, " legde Dr. Shetty uit.

Het is een hele uitdaging om calixarenen een macroscopische architectuur te geven, maar als ze succesvol zijn, kunnen ze worden opgenomen in praktische platforms zoals poeders in patronen of membranen.

Hoewel maar weinig onderzoekers hebben geprobeerd COF's te bouwen met meerdere ringen, of macrocyclische moleculen, zoals calixarenen, Het team van Dr. Shetty realiseerde zich dat een COF op basis van calixareen een ideale manier zou zijn om giftige kleurstoffen uit industrieel afvalwater te verwijderen.

Dr. Shetty, samen met de Trabolsi-onderzoeksgroep aan de NYUAD, ontwikkelde de eerste geweven structuren van op calixareen gebaseerde COF's, het maken van een 2D-netwerk dat nauwkeurig kan worden afgestemd op elke toepassing. Ze voegden zich bij calix[4]arenen door covalente bindingen te creëren tussen de organische moleculen om ze aan elkaar te koppelen, toen werden deze calixareenketens verweven door een calixareen in de komvorm van een ander te steken, het effectief stapelen van de kettingen.

De gesynthetiseerde COF's vertoonden goed gedefinieerde roosterstructuren, wat wijst op een zeer kristallijne aard voor beide COF's, met veel poriën voor adsorptietoepassingen. Door de concentratie van calixareen-eenheden in de oplossing te variëren, de stapeloriëntatie in de COF's kan worden gewijzigd, wat betekent dat onderzoekers zowel geïnterpenetreerde (dat wil zeggen aaneengeschakelde) als niet-geïnterpenetreerde kaders kunnen creëren. De resulterende COF's bevatten golvende lagen die de calixareenholten bevatten, waardoor ze aantrekkelijke kandidaten zijn voor het adsorberen van kleine moleculen.

De onderzoekers valideerden het materiaalvermogen door ze te gebruiken voor selectieve verwijdering van kationische kleurstoffen uit waterige mengsels.

belangrijk, het creëren van een structuur met georganiseerde poriën verhoogt het aantal moleculaire interacties tussen verontreinigende moleculen en adsorbens. interessant, de door het onderzoeksteam ontwikkelde COF's waren uitzonderlijk selectief voor de kationische kleurstoffen in de testmengsels zonder afhankelijk te zijn van de grootte van de moleculen. De COF's vertoonden ook een zeer negatieve oppervlaktelading, waardoor ladingsselectieve verwijdering van de kleurstofmoleculen mogelijk is.

"Met de inherent hydrofobe holte, anionisch oppervlak, en de mogelijkheid om deze COF's in een membraan te ontwikkelen, ons werk heeft het potentieel om calixareenchemie naar een opwindende materiaalwetenschappelijke horizon te brengen, "zei dr. Shetty.