Contiamo sull'acqua per dissetarci e per irrigare abbondanti terreni agricoli. Ma cosa fai quando quell'acqua una volta incontaminata viene inquinata dalle acque reflue delle miniere di rame abbandonate?

Una soluzione promettente si basa su materiali che catturano atomi di metalli pesanti, come gli ioni di rame, dalle acque reflue attraverso un processo di separazione chiamato adsorbimento. Ma i prodotti di cattura degli ioni di rame disponibili in commercio mancano ancora della specificità chimica e della capacità di carico per separare con precisione i metalli pesanti dall'acqua.

Ora, un team di scienziati guidato dal Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) del Dipartimento dell'Energia ha progettato un nuovo materiale, chiamato ZIOS (zinco imidazolo salicylaldoxime), che prende di mira e intrappola gli ioni di rame dalle acque reflue con una precisione e una velocità senza precedenti. In un articolo recentemente pubblicato sulla rivista Comunicazioni sulla natura , gli scienziati affermano che ZIOS offre all'industria dell'acqua e alla comunità di ricerca il primo progetto per una tecnologia di bonifica dell'acqua che elimina specifici ioni di metalli pesanti con una misura di controllo a livello atomico che supera di gran lunga l'attuale stato dell'arte.

"ZIOS ha un'elevata capacità di adsorbimento e la cinetica di adsorbimento del rame più veloce di qualsiasi materiale finora conosciuto:tutto in uno, " ha detto l' autore senior Jeff Urban , che dirige l'Inorganic Nanostructures Facility nella Molecular Foundry di Berkeley Lab.

Questa ricerca incarna il lavoro distintivo della Fonderia Molecolare:il design, sintesi, e caratterizzazione di materiali ottimizzati su scala nanometrica (miliardesimi di metro) per nuove sofisticate applicazioni in medicina, catalisi, energia rinnovabile, e altro ancora.

Per esempio, Urban ha concentrato gran parte della sua ricerca sulla progettazione di materiali supersottili da materia sia dura che morbida per una varietà di applicazioni, dalla desalinizzazione dell'acqua economica ai materiali 2-D autoassemblanti per applicazioni di energia rinnovabile.

"E ciò che abbiamo cercato di imitare qui sono le sofisticate funzioni svolte dalla natura, "come quando le proteine ​​che compongono una cellula batterica selezionano determinati metalli per regolare il metabolismo cellulare, ha detto l'autore principale Ngoc Bui, un ex ricercatore post-dottorato presso la Molecular Foundry di Berkeley Lab che ora è assistente professore in chimica, biologico, e ingegneria dei materiali presso l'Università dell'Oklahoma.

"ZIOS ci aiuta a scegliere e rimuovere solo il rame, un contaminante nell'acqua che è stato collegato a malattie e insufficienza d'organo, senza rimuovere gli ioni desiderabili, come nutrienti o minerali essenziali, " lei ha aggiunto.

Tale specificità a livello atomico potrebbe anche portare a tecniche di trattamento delle acque più convenienti e favorire il recupero dei metalli preziosi. "Gli odierni sistemi di trattamento dell'acqua sono 'tecnologie di separazione di massa':estraggono tutti i soluti, indipendentemente dalla loro pericolosità o valore, " ha detto il coautore Peter Fiske, direttore della National Alliance for Water Innovation (NAWI) e del Water-Energy Resilience Institute (WERRI) presso il Berkeley Lab. "Altamente selettivo, materiali durevoli in grado di catturare specifici costituenti in tracce senza essere caricati con altri soluti, o cadendo a pezzi con il tempo, sarà di fondamentale importanza per ridurre i costi e l'energia del trattamento dell'acqua. Potrebbero anche consentirci di "estrarre" le acque reflue alla ricerca di metalli preziosi o altri costituenti in tracce".

Scavenging metalli pesanti a livello atomico

Urbano, Bui, e i coautori riferiscono che i cristalli ZIOS sono altamente stabili in acqua, fino a 52 giorni. E a differenza delle strutture metallo-organiche, il nuovo materiale si comporta bene in soluzioni acide con lo stesso intervallo di pH delle acque reflue acide delle miniere. Inoltre, ZIOS cattura selettivamente gli ioni di rame 30-50 volte più velocemente degli adsorbenti di rame all'avanguardia, dicono i ricercatori.

Questi risultati hanno colto di sorpresa Bui. "All'inizio ho pensato che fosse un errore, perché i cristalli ZIOS hanno una superficie molto bassa, e secondo la saggezza popolare, un materiale dovrebbe avere un'elevata superficie specifica, come altre famiglie di adsorbenti, come strutture metallo-organiche, o quadri aromatici porosi, avere un'elevata capacità di adsorbimento e una cinetica di adsorbimento estremamente veloce, " ha detto. "Così mi sono chiesto, 'Forse sta succedendo qualcosa di più dinamico all'interno dei cristalli.'"

Per scoprirlo, ha reclutato l'aiuto del co-autore Hyungmook Kang per eseguire simulazioni di dinamica molecolare presso la Molecular Foundry. Kang è uno studente laureato ricercatore presso l'Urban Lab presso la Molecular Foundry di Berkeley Lab e un dottorato di ricerca. studente nel dipartimento di ingegneria meccanica dell'UC Berkeley.

I modelli di Kang hanno rivelato che ZIOS, quando immerso in un ambiente acquoso, "funziona come una spugna, ma in modo più strutturato, " ha detto Bui. "A differenza di una spugna che assorbe l'acqua ed espande la sua struttura in direzioni casuali, ZIOS si espande in direzioni specifiche mentre assorbe le molecole d'acqua."

Gli esperimenti a raggi X presso l'Advanced Light Source del Berkeley Lab hanno rivelato che i minuscoli pori o nanocanali del materiale, solo 2-3 angstrom, le dimensioni di una molecola d'acqua, si espandono anche quando sono immersi nell'acqua. Questa espansione è innescata da una "rete di legami idrogeno, ' che si crea quando ZIOS interagisce con le molecole d'acqua circostanti, Ha spiegato Bui.

Questa espansione dei nanocanali consente alle molecole d'acqua che trasportano ioni di rame di fluire su scala più ampia, durante la quale avviene una reazione chimica chiamata "legame di coordinazione" tra ioni rame e ZIOS.

Ulteriori esperimenti a raggi X hanno mostrato che ZIOS è altamente selettivo per gli ioni rame a un pH inferiore a 3, una scoperta significativa, poiché il pH del drenaggio acido della miniera è in genere un pH di 4 o inferiore.

Per di più, i ricercatori hanno detto che quando l'acqua viene rimossa dal materiale, la sua struttura reticolare cristallina si contrae alla sua dimensione originale in meno di 1 nanosecondo (miliardesimo di secondo).

Il coautore Robert Kostecki ha attribuito il successo del team al loro approccio interdisciplinare. "L'estrazione selettiva di elementi e minerali dalle acque naturali e prodotte è un problema scientifico e tecnologico complesso, " ha detto. "Per questo studio, abbiamo sfruttato le capacità uniche di Berkeley Lab nella nanoscienza, Scienze Ambientali, e tecnologie energetiche per trasformare una scoperta di scienze dei materiali di base in una tecnologia che ha un grande potenziale per un impatto nel mondo reale." Kostecki è il direttore della divisione Energy Storage and Distributed Resources nell'area delle tecnologie energetiche di Berkeley Lab, e l'area tematica R&S sui materiali e la produzione è leader in NAWI.

I ricercatori hanno poi in programma di esplorare nuovi principi di progettazione per la rimozione selettiva di altri inquinanti.

"Nella scienza dell'acqua e nell'industria dell'acqua, numerose famiglie di materiali sono state progettate per la decontaminazione delle acque reflue, ma pochi sono progettati per la rimozione di metalli pesanti dal drenaggio acido delle miniere. Speriamo che ZIOS possa aiutare a cambiarlo, " disse Urbano.