Очистка сточных вод от загрязняющих веществ, таких как тяжелые металлы, - сложная задача, которая часто требует медленного подхода. Ученые из Национальной лаборатории Лоуренса Беркли при Министерстве энергетики создали материал, который, по их словам, может избирательно улавливать определенные тяжелые металлы, и делают это с непревзойденной скоростью и точностью вплоть до атомного уровня.
«Сегодняшние системы очистки воды представляют собой «технологии объемного разделения» - они удаляют все растворенные вещества, независимо от их опасности или ценности», - говорит соавтор нового исследования Питер Фиске. «Высокоселективные материалы длительного пользования, которые могут улавливать определенные следовые компоненты, не перегружаясь другими растворенными веществами или не разваливаясь со временем, будут иметь решающее значение для снижения затрат и энергии на очистку воды. Они также могут позволить нам «вырабатывать» сточные воды на предмет ценных металлов или других следов компонентов».
Исследователи разработали один из этих высокоселективных и прочных материалов, получивший название ZIOS (имидазол цинка салицилальдоксим). Подобный губке материал с кристаллической решеткой вдохновлен способностью бактериальных клеток выбирать определенные металлы для регулирования их метаболизма.
ZIOS имеет крошечные каналы примерно того же размера, что и молекула воды, которые расширяются, когда материал погружается в воду. Расширение этих каналов позволяет молекулам воды свободно проходить через структуру, где происходит химическая реакция, связывающая материал с любыми ионами меди, которые случайно оказываются в жидкости.
Схема ZIOS-сети (слева) и изображение, полученное с помощью сканирующей электронной микроскопии образца ZIOS-меди на кремниевой пластине. Фото: Berkeley Lab
Используя рентгеновские эксперименты, команда обнаружила, что этот материал обладает высокой избирательностью при связывании с ионами меди в воде с уровнем pH, аналогичным тому, который содержится в сточных водах горнодобывающей промышленности, и делает это с беспрецедентной эффективностью.
«ZIOS обладает высокой адсорбционной способностью и самой быстрой кинетикой адсорбции меди из всех известных на сегодняшний день материалов - все в одном», - сказал ведущий автор Джефф Урбан.
Исследователи говорят, что ZIOS может избирательно захватывать ионы меди в 30-50 раз быстрее, чем современные растворы, и что он остается очень стабильным в воде до 52 дней. Как только он извлечен из воды, он переходит из своей расширенной формы в исходный размер всего за одну наносекунду или миллиардную долю секунды.
Команда описывает ZIOS как своего рода схему очистки сточных вод, поскольку это первая технология, которая может удалять определенные ионы тяжелых металлов с точностью до атомного уровня. Отсюда исследователи надеются адаптировать технологию специально для борьбы с другими загрязнителями.
«В науке о воде и водной промышленности для обеззараживания сточных вод было разработано множество семейств материалов, но лишь немногие из них предназначены для удаления тяжелых металлов из кислых шахтных стоков, - говорит Урбан. - Мы надеемся, что ZIOS поможет это изменить».
Исследование было опубликовано в журнале Nature Communications.
Источник: Lawrence Berkeley National Laboratory
