nl.llcitycouncil.org
Energie en milieu

Deze glanzende kristallen bieden nieuwe waterzuivering

Deze glanzende kristallen bieden nieuwe waterzuivering



We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.


Toen hoge niveaus van zware metalen werden gevonden in drinkwater in Flint, Michigan, en Newark, NJ, kwam een ​​wetenschappelijk team naar voren met een nieuw krachtig hulpmiddel, gloeiende kristallen, om vervuilde waterbronnen op te ruimen. De glanzende kristallen staan ​​bekend als Luminescent Metal-Organic Frameworks (LMOF's) die functioneren als een miniatuur en herbruikbare sensoren die de zware metalen vasthouden.

De simpele combinatie van twee delen waterstof en een deel zuurstof vormt de fundamentele verbinding van het leven op aarde. Met tweederde van het aardoppervlak bedekt met water en 75 procent in het menselijk lichaam, circuleert water door het land en wordt getransporteerd, opgelost, organisch materiaal verschaft en afvalmateriaal afgevoerd. Van koken tot recreatieve activiteiten zoals zwemmen, alles heeft water nodig.

[Structuur van LMOF-261. Afbeeldingsbron: Berkeley Labs]

In tegenstelling tot voorgaande tijdperken heeft onze ontwikkelde samenleving de waterkwaliteit een blauw oog gegeven. De belichamingen van natuurlijke waterkanalen zoals rivieren, zeeën en oceanen zijn uitgebuit en vervuild. Miljoenen hebben moeite met het vinden van voldoende veilig drinkwater. Door water overgedragen ziekten zijn nog steeds een van de belangrijkste doodsoorzaken in de hele wereld.

Enorme geïndustrialiseerde gebieden, verouderde watergereguleerde steden, agrarische gemeenschappen zijn vatbaarder voor grondwaterverontreiniging. Als het niet wordt aangepakt, kan dit leiden tot bodemverontreiniging. Vervuild water kan ziekten zoals diarree, cholera, dysenterie, tyfus en polio overbrengen. Vervuild drinkwater veroorzaakt naar schatting 502.000 sterfgevallen door diarree per jaar. Volgens de WHO zal tegen 2025 de helft van de wereldbevolking in gebieden met waterstress leven.

Onder leiding van onderzoekers van de Rutgers University gebruikten de wetenschappers intense röntgenstralen in het Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) om de structuur van minuscule, gloeiende kristallen te onderzoeken die zware metalen gifstoffen zoals lood en kwik detecteren en opvangen. Het onderzoek hielp ook bij het bestuderen van de binding van kristallen aan zware metalen.

“Deze technologie kan een geldbesparende oplossing zijn. Anderen hadden MOF's ontwikkeld voor de detectie van zware metalen of voor de verwijdering ervan, maar niemand had eerder echt een onderzoek gedaan naar een die beide doet, ”zegt Jing Li, hoogleraar scheikunde aan de Rutgers University die het onderzoek leidde.

Het proces:

Door een fluorescerende chemische component Ligand te integreren, zal de LMOF gloeien. Tijdens de interactie met zware metalen wordt de LMOF-gloed echter uitgeschakeld. "Wanneer het metaal zich bindt aan de fluorescerende ligand, fluoresceert het resulterende raamwerk", zegt Simon Teat, een wetenschapper van het Berkeley Lab.

De kristallen waren elk ongeveer 100 micron groot. Speen bestudeerde individuele LMOF-kristallen met röntgenstralen bij de Advanced Light Source (ALS) van het laboratorium. De ALS is een van de weinige synchrotron röntgenlichtbronnen ter wereld die experimentele stations hebben gewijd aan chemische kristallografie. Onder het röntgenlicht produceert de LMOF diffractiepatronen. Met behulp van deze patronen gebruikte Teat softwaretools om hun driedimensionale structuur met atomaire resolutie in kaart te brengen.

Een isoreticulaire reeks LMOF's wordt gesynthetiseerd door een sterk emitterende moleculaire fluorofoor en functioneel diverse colinkers in op Zn gebaseerde structuren op te nemen. De driedimensionale poreuze netwerken van LMOF-261, -262 en -263 vertegenwoordigen een nieuw type netten.

Teat zag een rastervormige 3D-structuur met koolstof-, waterstof-, zuurstof-, stikstof- en zinkatomen die grote en open kanalen omlijstten. Deze structuren op atomaire schaal zorgen ervoor dat de zware metalen deze open kanalen binnendringen en zich vervolgens chemisch binden aan de MOF's. Bovendien kunnen de structurele details ook helpen bij het ontwerpen van meer zeer gespecialiseerde constructies. Vanwege het grote oppervlak van de MOF kunnen veel verontreinigingen worden geadsorbeerd.

[Simon Teat, samen met de Beamline van Advanced Light Source (ALS). Afbeeldingsbron: Berkeley Labs]

“Intense röntgenstralen geproduceerd bij synchrotrons zijn de beste manier om de 3D-structuur van de MOF's in kaart te brengen. Het kennen van de kristalstructuren is een van de belangrijkste aspecten van ons onderzoek. Die heb je nodig om latere karakteriseringen uit te voeren en om de eigenschappen van deze materialen te begrijpen, ”zei Jing Li.

Test resultaten:

Volgens de recente resultaten gepubliceerd in Applied Materials and Interfaces, werd een mengsel van zware en lichte metalen getest met een type LMOF; binnen een half uur zou het selectief meer dan 99 procent van het kwik uit het mengsel kunnen opnemen. Het team meldde dat in dit proces van het detecteren en vangen van giftige zware metalen, geen enkele andere MOF beter heeft gepresteerd.

Bovendien ontdekten onderzoekers dat de LMOF's sterk binden aan kwik en lood, maar zwak aan lichtere metalen zoals magnesium en calcium. Deze lichtere metalen hebben echter niet dezelfde gevaren. “Deze selectieve eigenschap, gebaseerd op de moleculaire samenstelling van de LMOF's, is belangrijk. We hebben een MOF nodig die selectief is en alleen de schadelijke soorten opneemt. Dit zijn veelbelovende resultaten, maar we hebben nog een lange weg te gaan, ”zei Li.

Bovendien ontdekten onderzoekers dat ze voorafgaand aan de LMOF-prestatieverlaging de LMOF's konden verzamelen, opschonen en vervolgens hergebruiken voor drie cycli van toxische zuivering.

De toekomst:

Li verklaarde dat verdere R&D goedkopere en duurzamere LMOF's zou kunnen onderzoeken die meer cycli zouden kunnen meegaan, en onderzoekers zouden ook de ontwikkeling van waterfilters met een vaste film kunnen nastreven door de LMOF's te mengen met polymeren. “Deze filters zouden kunnen worden gebruikt om op grotere schaal te vangen. We willen graag doorgaan met dit onderzoek, ”zei ze.

Met voldoende financiering wil het wetenschapsteam de prestaties testen op daadwerkelijk vervuilde waterbronnen. Bovendien werd de ALS van Berkeley Lab door het team gebruikt om de kristalstructuren van MOF's te bepalen voor een breed scala aan andere toepassingen, zoals detectie van explosieven, detectie van voedseltoxines en nieuwe soorten lichtgevende componenten (bekend als fosforen). ) die goedkopere en voldoende materialen bevatten.

Onderzoekers van de University of Texas in Dallas en Rider University hebben ook aan dit onderzoek deelgenomen. Het werk werd ondersteund door het DOE Office of Science.

ZIE OOK: Water bevriest in plaats van te koken in koolstofnanobuisjes

Via Berkeley Lab

Uitgelichte afbeelding met dank aan Rutgers University

Geschreven door Alekhya Sai Punnamaraju


Bekijk de video: Hoe werkt het waterzuiveringssysteem? Weg van water