Vi är beroende av vatten för att släcka vår törst och för att bevattna riklig jordbruksmark. Men vad gör man när det en gång orörda vattnet är förorenat med avloppsvatten från övergivna koppargruvor?

En lovande lösning bygger på material som fångar tungmetallatomer, som kopparjoner, från avloppsvatten genom en separationsprocess som kallas adsorption. Men kommersiellt tillgängliga kopparjonfångande produkter saknar fortfarande den kemiska specificiteten och lastkapaciteten för att exakt separera tungmetaller från vatten.

Nu, ett team av forskare ledda av Department of Energy's Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) har designat ett nytt material – kallat ZIOS (zinc imidazole salicylaldoxime) – som målriktar och fångar kopparjoner från avloppsvatten med oöverträffad precision och hastighet. I en artikel som nyligen publicerats i tidskriften Naturkommunikation , forskarna säger att ZIOS erbjuder vattenindustrin och forskarvärlden den första planen för en vattensaneringsteknik som avlägsnar specifika tungmetalljoner med ett mått av kontroll på atomnivå som vida överträffar den nuvarande teknikens ståndpunkt.

"ZIOS har en hög adsorptionskapacitet och den snabbaste kopparadsorptionskinetiken av något material som är känt hittills - allt i ett, " sa seniorförfattaren Jeff Urban, som leder anläggningen för oorganiska nanostrukturer i Berkeley Labs Molecular Foundry.

Denna forskning förkroppsligar Molecular Foundrys signaturarbete - designen, syntes, och karakterisering av material som är optimerade i nanoskala (miljarddelar av en meter) för sofistikerade nya tillämpningar inom medicin, katalys, förnybar energi, och mer.

Till exempel, Urban har fokuserat mycket av sin forskning på design av supertunna material från både hård och mjuk materia för en mängd olika tillämpningar, från kostnadseffektiv vattenavsaltning till självmonterande 2D-material för förnybara energitillämpningar.

"Och det vi försökte efterlikna här är de sofistikerade funktionerna som utförs av naturen, "som när proteiner som utgör en bakteriecell väljer vissa metaller för att reglera cellulär metabolism, sa huvudförfattaren Ngoc Bui, en före detta postdoktor i Berkeley Labs Molecular Foundry som nu är biträdande professor i kemi, biologisk, och materialteknik vid University of Oklahoma.

"ZIOS hjälper oss att välja och ta bort endast koppar, en förorening i vatten som har kopplats till sjukdomar och organsvikt, utan att ta bort önskvärda joner, såsom näringsämnen eller viktiga mineraler, " tillade hon.

Sådan specificitet på atomnivå kan också leda till mer överkomliga vattenbehandlingstekniker och hjälpa till att återvinna ädelmetaller. "Dagens vattenbehandlingssystem är 'bulkseparationsteknologier' - de drar ut alla lösta ämnen, oavsett deras fara eller värde, sa medförfattaren Peter Fiske, chef för National Alliance for Water Innovation (NAWI) och Water-Energy Resilience Institute (WERRI) vid Berkeley Lab. "Mycket selektiv, hållbara material som kan fånga upp specifika spårbeståndsdelar utan att bli laddade med andra lösta ämnen, eller faller samman med tiden, kommer att vara avgörande för att sänka kostnaderna och energin för vattenrening. De kan också göra det möjligt för oss att "bryta" avloppsvatten för värdefulla metaller eller andra spårbeståndsdelar."

Rensa tungmetaller på atomnivå

Urban, Bui, och medförfattare rapporterar att ZIOS-kristaller är mycket stabila i vatten - upp till 52 dagar. Och till skillnad från metallorganiska ramverk, det nya materialet fungerar bra i sura lösningar med samma pH-intervall för surt gruvavloppsvatten. Dessutom, ZIOS fångar selektivt kopparjoner 30-50 gånger snabbare än toppmoderna kopparadsorbenter, säger forskarna.

Dessa resultat överraskade Bui. "Först trodde jag att det var ett misstag, eftersom ZIOS-kristallerna har en mycket låg yta, och enligt konventionell visdom, ett material ska ha en hög specifik yta, som andra familjer av adsorbenter, såsom metall-organiska ramverk, eller porösa aromatiska ramar, att ha en hög adsorptionskapacitet och en extremt snabb adsorptionskinetik, sa hon. Så jag undrade, "Kanske något mer dynamiskt pågår inuti kristallerna."

Att få reda på, hon rekryterade hjälp av co-lead författaren Hyungmook Kang för att utföra molekylära dynamiksimuleringar vid Molecular Foundry. Kang är doktorandforskare i Urban Lab vid Berkeley Labs Molecular Foundry och en Ph.D. student vid avdelningen för maskinteknik vid UC Berkeley.

Kangs modeller avslöjade att ZIOS, när nedsänkt i en vattenhaltig miljö, "fungerar som en svamp, men på ett mer strukturerat sätt, " sa Bui. "Till skillnad från en svamp som absorberar vatten och expanderar sin struktur i slumpmässiga riktningar, ZIOS expanderar i specifika riktningar när det adsorberar vattenmolekyler."

Röntgenexperiment vid Berkeley Labs avancerade ljuskälla avslöjade att materialets små porer eller nanokanaler - bara 2-3 ångström, storleken på en vattenmolekyl – expanderar även när den sänks ned i vatten. Denna expansion utlöses av ett "vätebindningsnätverk, ' som skapas när ZIOS interagerar med de omgivande vattenmolekylerna, Bui förklarade.

Denna expansion av nanokanalerna tillåter vattenmolekyler som bär kopparjoner att flöda i större skala, under vilken en kemisk reaktion som kallas "koordinationsbindning" mellan kopparjoner och ZIOS äger rum.

Ytterligare röntgenexperiment visade att ZIOS är mycket selektivt för kopparjoner vid ett pH under 3 - ett betydande fynd, eftersom pH för sur gruvdränering vanligtvis är ett pH på 4 eller lägre.

Vidare, forskarna sa att när vatten tas bort från materialet, dess kristallgitterstruktur drar ihop sig till sin ursprungliga storlek inom mindre än 1 nanosekund (miljarddels sekund).

Medförfattaren Robert Kostecki tillskrev lagets framgång till deras tvärvetenskapliga tillvägagångssätt. "Den selektiva utvinningen av grundämnen och mineraler från naturliga och producerade vatten är ett komplext vetenskaps- och teknikproblem, " sa han. "För denna studie, vi utnyttjade Berkeley Labs unika kapacitet inom nanovetenskap, miljövetenskap, och energiteknik för att omvandla en grundläggande materialvetenskaplig upptäckt till en teknik som har stor potential för verklig påverkan." Kostecki är chef för divisionen Energy Storage and Distributed Resources i Berkeley Labs Energy Technologies Area, och Material och tillverkning FoU ämnesområde ledande i NAWI.

Forskarna planerar nästa att utforska nya designprinciper för selektivt avlägsnande av andra föroreningar.

"Inom vattenvetenskap och vattenindustrin, många familjer av material har designats för att sanera avloppsvatten, men få är konstruerade för att avlägsna tungmetaller från sura gruvdränering. Vi hoppas att ZIOS kan hjälpa till att ändra på det, sa Urban.