Onderzoekers schatten dat de uitstoot van kwik in de atmosfeer sinds de industriële revolutie is verviervoudigd. Het zware metaal, gegenereerd door het verbranden van fossiele brandstoffen en de verwijdering van industrieel en medisch afval, is zo hardnekkig geworden in aquatische omgevingen dat de Amerikaanse Food and Drug Administration suggereert dat ongeveer een half dozijn vissoorten zo met kwik besmet zijn dat mensen het consumeren van hen. Onderzoekers werken al jaren aan de ontwikkeling van systemen om kwik uit water te verwijderen. Maar een team van de Drexel University heeft misschien precies het juiste materiaal gevonden om het ontwijkende kwik efficiënt op te vangen - zelfs op lage niveaus - en verontreinigde watermassa's op te ruimen.

Van de vele methoden om kwik uit water te verwijderen, is adsorptie - het proces van het chemisch aantrekken en verwijderen van verontreinigingen - de meest veelbelovende technologie vanwege de relatieve eenvoud, efficiëntie en lage kosten, volgens Drexel College of Engineering Professor Masoud Soroush, Ph.D. , wiens lab een nieuwe adsorptietechnologie ontwikkelt.

"Moderne adsorbentia, zoals harsen, mesoporeuze silica, chalcogeniden en mesoporeuze koolstoffen, hebben een hogere efficiëntie dan traditionele adsorbentia, zoals actieve kool, klei en zeolieten met een lage affiniteit voor kwik en lage capaciteiten," zei Soroush. "Het probleem met al deze materialen is echter dat hun kwikverwijderingsefficiëntie nog steeds laag is en dat ze niet in staat zijn het kwikgehalte te verlagen tot minder dan 1 deel per miljard."

Soroush's team van onderzoekers van Drexel en Temple University heeft de synthese en het gebruik van een oppervlaktegemodificeerd titaniumcarbide MXene onderzocht voor het verwijderen van kwik. MXenen zijn een familie van tweedimensionale nanomaterialen die meer dan tien jaar geleden in Drexel werden ontdekt en die veel uitzonderlijke eigenschappen hebben laten zien. Het team rapporteerde onlangs zijn resultaten in het Journal of Hazardous Materials .

Voor de verwijdering van kwikionen zijn de voordelen van titaniumcarbide MXene, volgens Soroush, het negatief geladen oppervlak en de afstembaarheid en veelzijdigheid van de oppervlaktechemie, waardoor de MXene aantrekkelijk is voor verwijdering van zware metaalionen. Vanwege deze eigenschappen en de gelaagde structuur van de MXene, hebben op titaniumcarbide MXene gebaseerde materialen superieure prestaties laten zien bij gasscheiding, het verwijderen van zout uit water, het doden van bacteriën en nierdialyse.

"We wisten dat 2D-materialen, zoals grafeenoxide en molybdeendisulfide, eerder effectief waren in het verwijderen van zware metalen uit afvalwater door middel van adsorptie vanwege hun chemische functionaliteiten / structuren die metaalionen aantrekken," zei Soroush. "MXenen zijn een soortgelijk materiaal, maar we schatten dat titaniumcarbide MXene een veel grotere opnamecapaciteit zou kunnen hebben dan deze andere materialen, waardoor het een beter sorptiemiddel is voor kwikionen."

Maar het team van Soroush moest een belangrijke aanpassing maken aan de chemische structuur van titaniumcarbide MXene om het materiaal verder te verbeteren voor een van de meest uitdagende taken.

"Kwik wordt niet voor niets kwikzilver genoemd - het is vrij ontwijkend als het eenmaal in het milieu wordt uitgestoten, of het nu gaat om verbranding van fossiele brandstoffen, mijnbouw of afvalverbranding," zei Soroush. "Het verandert snel van chemische vorm - waardoor de toxiciteit toeneemt en het enorm moeilijk te verwijderen is uit de watermassa's waar het zich onvermijdelijk ophoopt. Dus om kwikionen nog sneller aan te trekken, moesten we het oppervlak van titaniumcarbide MXene-vlokken aanpassen."

Er is een natuurlijke aantrekkingskracht tussen kwikionen en het oppervlak van titaniumcarbide MXene, aangezien metaalionen, zoals kwik, positief geladen zijn en het oppervlak van de MXene-vlokken negatief geladen zijn. Om echter kwikionen sterker uit het water te halen, moest het team deze attractie een boost geven. Hiertoe behandelden ze de MXene-vlokken met chloorazijnzuur - een proces dat carboxylatie wordt genoemd - dat de MXene voorziet van zeer mobiele, sterke carbonzuurgroepen en de negatieve lading van de MXene-vlokken verhoogt, waardoor het vermogen van de vlokken om aan te trekken en vast te houden verbetert kwikionen.

Het resultaat was een nieuw sorptiemateriaal - gecarboxyleerd titaniumcarbide MXene, dat volgens de onderzoekers een snellere opname van kwik-ionen en een grotere capaciteit vertoonde dan alle in de handel verkrijgbare adsorbentia.

"Gecarboxyleerd titaniumcarbide MXene bleek veel beter te zijn dan het absorberende materiaal dat momenteel wordt gebruikt voor het verwijderen van kwik-ionen," zei Soroush. "Binnen een minuut was het in staat 95% van de kwikionen te verwijderen uit een watermonster dat verontreinigd was met een concentratie van 50 delen per miljoen, wat betekent dat het effectief en efficiënt genoeg zou kunnen zijn voor gebruik in grootschalige afvalwaterzuivering".

Binnen vijf minuten verwijderden titaniumcarbide MXeen en gecarboxyleerd titaniumcarbide MXene 98% van de kwikionen uit een 10 milliliter watermonster dat verontreinigd was met kwikionen in concentraties tussen 1 en 1000 delen per miljoen.

"Dit geeft aan dat zowel [MXene] als [gecarboxyleerd MXene] effectieve adsorbentia zijn om kwikionen uit afvalwater te verwijderen vanwege hun speciale structurele eigenschappen en hoge dichtheid van functionele oppervlaktegroepen", schreef het team. "Over het algemeen volgt het adsorptiemechanisme van metaalionen twee stappen:in het begin worden de ionen snel geadsorbeerd op de beschikbare actieve plaatsen en het proces is snel. De adsorptie verloopt langzamer naarmate de adsorptieplaatsen vol raken en de ionen moeten diffunderen in de poriën en tussenlaag."

De ontwikkeling is belangrijk in de strijd tegen kwikvervuiling, die zo alomtegenwoordig is geworden dat gezondheidsautoriteiten aanbevelen om bepaalde vissoorten helemaal niet te eten. Pogingen om het kwik dat vrijkomt bij de verbranding van fossiele brandstoffen in te dammen, zijn even uitdagend gebleken als het verminderen van de afhankelijkheid van de brandstoffen zelf.

Hoewel het verschuiven van de vervuilende energiebronnen de ultieme oplossing is om het vrijkomen van zware metalen, zoals kwik, in het milieu te voorkomen, suggereert Soroush dat deze doorbraak nieuwe mogelijkheden zou kunnen bieden om de reeds gecreëerde vervuiling op te ruimen.

"We stellen ons voor dat het gebruik van de gecarboxyleerde MXene-technologie om alle zware metaalionen te verwijderen," zei hij. "Naast het gebruik van het gecarboxyleerde MXene als sorptiemiddel, is een andere manier om dit te bereiken het fabriceren van filters die zijn gecoat of ingebed met het gecarboxyleerde MXene." + Verder verkennen

Titaniumcarbidevlokken verkregen door selectief etsen van titaniumsiliciumcarbide