Forskare vid Nagoya University har utvecklat en tillverkningsprocess i ett steg som förbättrar nanokarbons förmåga att ta bort giftiga tungmetalljoner från vatten. Resultaten, publicerad i tidskriften ACS Applied Nano Materials, kan hjälpa insatser för att förbättra universell tillgång till rent vatten.

Olika nanokarboner studeras och används för att rena vatten och avloppsvatten genom adsorberande färgämnen, gaser, organiska föreningar och giftiga metalljoner. Dessa nanokarboner kan adsorbera tungmetalljoner, som bly och kvicksilver, på sina ytor genom molekylära attraktionskrafter. Men denna attraktion är svag, och så är de inte särskilt effektiva adsorbenter på egen hand.

För att förbättra adsorption, forskare överväger att tillsätta molekyler till nanokolväten, som aminogrupper, som bildar starkare kemiska bindningar med tungmetaller. De försöker också hitta sätt att använda alla tillgängliga ytor på nanokolväten för metalljonadsorption, inklusive ytorna på deras inre porer. Detta skulle öka deras förmåga att adsorbera fler metalljoner åt gången.

Materialvetaren Nagahiro Saito från Nagoya University Institute of Innovation for Future Society och kollegor utvecklade en ny metod för att syntetisera ett "aminomodifierat nanokol" som mer effektivt adsorberar flera tungmetalljoner jämfört med konventionella metoder.

De blandade fenol, som källa till kol, med en förening som kallas APTES, som en källa till aminogrupper. Denna blandning placerades i en glaskammare och utsattes för högspänning, skapa en plasma i vätska. Metoden de använde, kallad "lösningsplasmaprocess, "bibehölls i 20 minuter. Svarta fällningar av aminomodifierade kol bildades och samlades upp, tvättas och torkas.

En mängd olika tester visade att aminogrupper hade fördelat sig jämnt över nanokolytan, inklusive i sina slitsliknande porer.

"Vår enstegsprocess underlättar bindningen av aminogrupper på både yttre och inre ytor på det porösa nanokolvet, "säger Saito." Detta ökade deras adsorptionskapacitet drastiskt jämfört med ett nanokarbon på egen hand. "

De lägger de aminomodifierade nanokarbonerna genom tio cykler av adsorberande koppar, zink- och kadmiummetalljoner, tvätta dem mellan varje cykel. Även om förmågan att adsorbera metalljoner minskade med repetitiva cykler, minskningen var liten, vilket gör dem relativt stabila för upprepad användning.

Till sist, laget jämförde sina aminomodifierade nanokolväten med fem andra syntetiserade med konventionella metoder. Deras nanokol hade den högsta adsorptionskapaciteten för de testade metalljonerna, vilket indikerar att det finns fler aminogrupper på deras nanokol än de andra.

"Vår process kan bidra till att minska kostnaderna för vattenrening och föra oss närmare att uppnå universell och rättvis tillgång till säkert och prisvärt dricksvatten för alla år 2030, säger Saito.