Organische verbindingen in afvalwater, zoals kleurstoffen en pigmenten in industrieel afvalwater, zijn giftig of hebben een dodelijk effect op het waterleven en de mens. Toenemend bewijs heeft aangetoond dat de organische verontreinigingen die vrijkomen bij galvaniseren, textiel productie, cosmetica, geneesmiddelen zijn de belangrijkste redenen voor de hogere morbiditeitscijfers van nieren, lever, en blaaskanker, enz. Organische verontreinigingen, vooral methylblauw en methyloranje, zijn stabiel tegen licht, hitte- of oxidatiemiddelen en zeer moeilijk te verwijderen met conventionele chemische of biologische afvalwaterbehandelingstechnieken. Onlangs hebben wetenschappers enkele nieuwe strategieën ontwikkeld met goede kleurverwijderingsprestaties; echter, een daaropvolgende zuiveringsprocedure met adsorbens is onvermijdelijk na de waterbehandeling, die vaak ingewikkeld zijn en niet geschikt voor praktische waterbehandeling.

Nutsvoorzieningen, met behulp van laser-geïnduceerde fabricagetechniek, een team van Chinese onderzoekers van de Shandong University, China heeft een nieuw kleurstofabsorberend middel ontwikkeld genaamd hybride nanodeeltjes van zilver en zilversulfide (Ag2S@Ag hybride nanodeeltjes) en heeft de superieure adsorptieprestaties van het nanomateriaal aangetoond voor het verwijderen van methylblauw en methyloranje uit afvalwater. Belangrijker, de nieuwe adsorbentia kunnen direct uit oplossingen worden verwijderd door filters zonder absorberende zuiveringsprocedures, aangezien de op zilver gebaseerde hybride nanodeeltjes worden geagglomereerd en op de bodem worden afgezet na het adsorberen van kleurstoffen, zorgen voor een groene, eenvoudig, snelle en goedkope oplossing voor waterzuivering. Deze week in het journaal Optische materialen Express , van The Optical Society (OSA), beschrijven de onderzoekers het werk.

"Zonder het gebruik van dure chemische reagentia of faciliteiten, de laser-geïnduceerde fabricagemethode is een goedkope, snel, eenvoudige en veelzijdige route voor het vervaardigen van Ag2S@Ag hybride nanokristallen, " zei Ming Chen, de primaire auteur en een universitair hoofddocent van de School of Physics en State Key Laboratory of Crystal Materials aan de Shandong University, China. "Na het adsorberen van kleurstoffen zoals methylblauw en methyloranje, de geagglomereerde en afgezette adsorbentia kunnen gemakkelijk door filters uit oplossingen worden verwijderd, die zeer gunstig zijn voor de praktische afvalwaterzuiveringsinstallaties."

Chen's team gebruikte een techniek genaamd laserablatie om op zilver gebaseerde hybride nanokristallen in vloeistof te fabriceren, dat is een proces waarbij materialen van een vast of vloeibaar oppervlak worden verwijderd door het te bestralen met een laserstraal. In een typisch experiment, de onderzoekers plaatsten een goed gepolijst zilvermetaal op de bodem van een roterende glazen schaal gevuld met thioacetamide-oplossing als zwavelbron voor het vervaardigen van zilversulfide. Het zilveren oppervlak werd vervolgens gefocusseerd door een laserstraal, en in korte tijd snel koken en verdamping van het zilverelement vond plaats, resulterend in explosief zilverplasma met ultrahoge temperatuur (ongeveer duizenden Celsius) op de bestraalde plek. Het eerste proces bij kristalvorming, of de kiemvorming van zilver en sulfide, vond plaats in het vroege stadium van snelle condensatie van het zilverplasma, en scherp beëindigd in een paar microseconden als gevolg van het verstrijken van de laserpuls en uitputtende expansie van de zilverdamp.

"Tijdens de fabricage van Ag2S@Ag-nanodeeltjes, de niet-evenwichtstoestand gecreëerd door daaropvolgende laserablatie leidt tot verschillende defecten, resulterend in de aanwezigheid van overvloedige wanordelijk gerangschikte zilversoorten op het oppervlak van zilversulfide nanodeeltjes en het vormen van een zilveren omhulsel, " legde Chen uit. "Na de laserfabricage, het snelle afschrikproces verhoogde de mate van wanorde van zilversoorten, steeds meer zilveratomen maken in een zeer aangeslagen toestand."

De vroege studie van het team toonde aan dat de elektronenverdeling van de zeer opgewonden zilversoorten kan worden beïnvloed door Ag2S@Ag-nanodeeltjes, resulterend in "gepolariseerde" zilversoorten, of zilversoorten met positieve ladingen als kleurstofadsorptieplaatsen. Aangezien kleurstofmoleculen zoals methylblauw en methyloranje negatief geladen functionele groepen hebben, vanwege de sterke elektrostatische kracht tussen positieve ladingen en negatieve ladingen, de verbeterde adsorptieplaatsen op het oppervlak van het hybride materiaal zullen meer kleurstofmoleculen plakken, wat leidt tot het verbeterde vermogen van het materiaal om kleurstoffen te verwijderen.

"Onze experimentele resultaten toonden aan dat meer dan 99 procent methylblauw-moleculen in afvalwater in vijf minuten werden geadsorbeerd door Ag2S@Ag-nanomateriaal, Chen zei. "De ultraviolet-zichtbare absorptiespectra van de oplossing toonden ook duidelijk aan dat na het adsorberen van de kleurstofmoleculen, het Ag2S@Ag-nanomateriaal werd samengeklonterd tot talrijke grote clusters, vervolgens afgezet op de bodem van de oplossing. In de tussentijd, de aggregatie en afzetting leiden tot een significante verandering in de kleur van de oplossing van blauw naar kleurloos."

Chen schatte dat na methylblauw-adsorptiereactie, meer dan 99 procent van Ag2S@Ag-nanomateriaal kan door filters uit de oplossing worden verwijderd.

"Vergeleken met conventionele adsorberende zuiveringsprocessen, zoals centrifugaal proces of het gebruik van externe magnetische velden, die ingewikkeld zijn en niet geschikt voor praktische waterbehandeling, het filterproces is eenvoudig, snel en kostenefficiënt, " zei Chen. "Onze nieuwe methode slaat het zuiveringsproces van het adsorbens over, die de toepassing van Ag2S@Ag-nanodeeltjes bevordert als geavanceerde adsorberende materialen voor praktische afvalwaterbehandeling in de toekomst."

Aangezien de kleurstofmoleculen niet gemakkelijk worden gedesorbeerd uit de geagglomereerde adsorbentia door standaard warmtebehandeling, de volgende stap van de onderzoekers is het bestuderen van de desorptiemethode van kleurstofmoleculen uit de Ag2S@Ag-adsorbentia om in de toekomst materiaalrecycling te realiseren.