Innowacyjne kryształy oczyszczają wodę z metali bez usuwania przy tym cennych jonów. To szansa na rozwiązanie problemu niedoboru wody

Zespół naukowców z Lawrence Berkeley National Laboratory przy Uniwersytecie Kalifornijskim opracował krystaliczny materiał zwany ZIOS, który potrafi błyskawicznie i z dużą dokładnością wychwytywać atomy miedzi ze ścieków. Upowszechnienie tej technologii pozwoli zauważalnie poprawić proces uzdatniania poprzemysłowej wody i usunąć z niej metale ciężkie z atomową precyzją.

To z kolei może przyczynić się do rozwiązania coraz poważniejszego problemu niedoboru wody na świecie.

Tradycyjne procesy uzdatniania wody kopalnianej są kosztowne, czasochłonne i często nie są w stanie usunąć metali ciężkich z atomową dokładnością. Rozwiązaniem tego problemu może okazać się innowacyjny materiał krystaliczny opracowany na Uniwersytecie Kalifornijskim, który pozwoli zwiększyć precyzję systemów uzdatniających wodę zanieczyszczoną pierwiastkami metali ciężkich.

– ZIOS ma wysoką zdolność adsorpcji i najszybszą kinetykę adsorpcji miedzi spośród wszystkich znanych dotychczas materiałów – wszystko w jednym – podkreśla Jeff Urban, który kieruje zakładem nanostruktur nieorganicznych w centrum badawczym Molecular Foundry w Berkeley Lab (Uniwersytet Kalifornijski w Berkeley).

Naukowcy z centrum badawczego Molecular Foundry opracowali innowacyjną strukturę krystaliczną, imitującą procesy selektywnego doboru metali zachodzące w świecie natury. ZIOS swoim zachowaniem przypomina białka tworzące komórki bakteryjne, które wyspecjalizowały się w procesie wychwytywania konkretnych metali na potrzeby regulowania procesów metabolizmu komórkowego.

– ZIOS pomaga nam wybierać i usuwać tylko miedź – zanieczyszczenie w wodzie, które jest powiązane z chorobami i niewydolnością narządów, bez usuwania pożytecznych jonów, takich jak składniki odżywcze lub niezbędne minerały – dodaje dr Ngoc Bui, adiunkt w dziedzinie inżynierii chemicznej, biologicznej i materiałowej na Uniwersytecie Oklahomy.

Tym, co wyróżnia tę nowatorską strukturę, jest jej wysoka odporność. Kryształy ZIOS wykazują wysoką stabilność aż do 52 dni od zanurzenia w wodzie. Ponadto znacznie lepiej radzą sobie w kwaśnym środowisku niż struktury metaloorganiczne.

– W nauce o wodzie i przemyśle wodnym wiele rodzin materiałów zostało zaprojektowanych do odkażania ścieków, ale tylko nieliczne są przeznaczone do usuwania metali ciężkich z odwadniania kopalni kwaśnych. Mamy nadzieję, że ZIOS pomoże to zmienić – wskazuje Jeff Urban.

Największą zaletą ZIOS-a jest jego efektywność w procesie uzdatniania. Eksperymenty laboratoryjne wykazały, że nowe kryształy są w stanie wychwycić jony miedzi z wody od 30 do 50 razy szybciej niż wiodące adsorbenty miedzi wykorzystywane obecnie. Tak wysoka skuteczność zaskoczyła naukowców ze względu na niewielką powierzchnię kryształów.

– Zgodnie z dotychczasową wiedzą materiał, który ma wysoką zdolność adsorpcji, powinien mieć dużą powierzchnię właściwą, podobnie jak rodziny adsorbentów takie jak struktury metaloorganiczne lub porowate struktury aromatyczne, dysponujące niezwykle szybką kinetyką adsorpcji – wskazuje Ngoc Bui.

Aby potwierdzić wysoką skuteczność ZIOS-a, zespół opracował symulację dynamiki molekularnej, która miała wyjaśnić, dlaczego materiał przewyższa dotychczasowe metody wychwytywania metali ciężkich. Jak się okazało, ZIOS w wilgotnym środowisku funkcjonuje na podobnej zasadzie co gąbka absorbująca wodę. Materiał nie rozszerza jednak swojej struktury w sposób losowy, tylko robi to w specyficznym kierunku, co pozwala adsorbować cząsteczki wody.

Tę unikalną cechę potwierdziły badania za pośrednictwem promieniowania rentgenowskiego, które wykazały, że ZION składa się z niewielkich nanokanalików o rozmiarach cząsteczek wody, które po zanurzeniu w wodzie rozszerzają się. Dzięki temu przez materiał mogą przedostać się cząsteczki wody z jonami miedzi i w rezultacie wejść z ZIOS-em w reakcję chemiczną zwaną wiązaniem koordynacyjnym.

Naukowcy liczą na to, że dzięki rozwojowi tej technologii będzie można stworzyć zaawansowane systemy selektywnego uzdatniania wód, przystosowane do pracy z konkretnymi metalami ciężkimi.

– Dzisiejsze systemy uzdatniania wody to technologie separacji masowej – usuwają wszystkie substancje rozpuszczone, niezależnie od ich zagrożenia lub wartości – wskazuje Peter Fiske, dyrektor National Alliance for Water Innovation (NAWI) i Water-Energy Resilience Institute (WERRI) w Berkeley Lab. – Wysoce selektywne, trwałe materiały, które mogą wychwytywać określone składniki śladowe bez obciążania ich innymi substancjami, będą miały kluczowe znaczenie dla obniżenia kosztów i energii potrzebnej do procesu uzdatniania wody. Mogą również umożliwić nam wydobywanie ścieków w poszukiwaniu cennych metali lub innych składników śladowych.

Według firmy badawczej Meticulous Market Research wartość globalnego rynku technologii uzdatniania wody do 2025 roku wzrośnie do 221,3 mld dol. W najbliższych latach ma się rozwijać w tempie 6,5 proc. w skali roku.