Grundämne kvicksilver (Hg), flytande form. Kredit:Wikipedia.
Forskare uppskattar att kvicksilverutsläppen i atmosfären har fyrdubblats sedan den industriella revolutionen. Tungmetallen, som genereras av förbränning av fossila bränslen och bortskaffande av industri- och medicinskt avfall, har blivit så långlivad i vattenmiljöer att U.S. Food and Drug Administration antyder att omkring ett halvdussin fiskarter är så kvicksilverförorenade att människor bör undvika att konsumera dem. Forskare har under många år arbetat med att utveckla system för att ta bort kvicksilver från vatten. Men ett team vid Drexel University kanske har hittat precis rätt material för att effektivt fånga det undvikande kvicksilvret – även vid låga nivåer – och städa upp förorenade vattenmassor.
Bland många metoder för att ta bort kvicksilver från vatten är adsorption – processen att kemiskt attrahera och ta bort föroreningar – den mest lovande tekniken på grund av dess relativa enkelhet, effektivitet och låga kostnad, enligt Drexel College of Engineering Professor Masoud Soroush, Ph.D. , vars labb håller på att utveckla en ny adsorptionsteknik.
"Moderna adsorbenter, såsom hartser, mesoporös kiseldioxid, kalkogenider och mesoporösa kol, har högre effektivitet än traditionella adsorbenter, såsom aktivt kol, leror och zeoliter som har låg affinitet mot kvicksilver och låg kapacitet," sa Soroush. "Men problemet med alla dessa material är att deras kvicksilveravlägsnande effektivitet fortfarande är låg, och de kan inte sänka kvicksilvernivån till mindre än 1 del per miljard."
Soroushs team av forskare från Drexel och Temple University har utforskat syntetisering och användning av en ytmodifierad titankarbid MXene för avlägsnande av kvicksilver. MXenes är en familj av tvådimensionella nanomaterial som upptäcktes på Drexel för mer än ett decennium sedan och har visat många exceptionella egenskaper. Teamet rapporterade nyligen sina resultat i Journal of Hazardous Materials .
För avlägsnande av kvicksilverjoner är fördelarna med titankarbid MXene, enligt Soroush, dess negativt laddade yta och avstämbarheten och mångsidigheten hos dess ytkemi, vilket gör MXene attraktiv för borttagning av tungmetalljoner. På grund av dessa egenskaper och den skiktade strukturen hos MXene, har titankarbid MXene-baserade material visat överlägsen prestanda vid gasseparation, avlägsnande av salt från vatten, dödande av bakterier och njurdialys.
"Vi visste att 2D-material, som grafenoxid och molybdendisulfid, tidigare hade varit effektiva för att ta bort tungmetaller från avloppsvatten genom adsorption på grund av deras kemiska funktionaliteter/strukturer som attraherar metalljoner," sa Soroush. "MXener är en liknande typ av material men vi uppskattade att titankarbid MXene kunde ha mycket större upptagningsförmåga än dessa andra material - vilket gör det till en bättre sorbent för kvicksilverjoner."
Men Soroushs team behövde göra en viktig justering av titankarbid MXenes kemiska struktur för att ytterligare förbättra materialet för en av dess mest utmanande uppgifter.
"Kviksilver kallas kvicksilver av en anledning - det är ganska undvikande när det väl släpps ut i miljön, oavsett om det är genom förbränning av fossila bränslen, gruvdrift eller avfallsförbränning," sa Soroush. "Det ändrar snabbt sin kemiska form – vilket ökar sin toxicitet och gör det oerhört svårt att ta bort från vattenmassorna där det oundvikligen ackumuleras. Så för att attrahera kvicksilverjoner ännu snabbare behövde vi modifiera ytan på titankarbid-MXene-flingor."
Det finns en naturlig attraktion mellan kvicksilverjoner och MXene-ytan av titankarbid, eftersom metalljoner, liksom kvicksilver, är positivt laddade och ytan på MXene-flingorna är negativt laddade. Men för att dra ut kvicksilverjoner ur vattnet starkare behövde teamet ge denna attraktion ett uppsving. För detta ändamål behandlade de MXene-flingorna med klorättiksyra - en process som kallas karboxylering - som förser MXene med mycket rörliga, starka karboxylsyragrupper och ökar MXene-flingornas negativa laddning, vilket förbättrar flingornas förmåga att attrahera och behålla kvicksilverjoner.
Resultatet var ett nytt sorbentmaterial - karboxylerad titankarbid MXene, som visade ett snabbare kvicksilverjonupptag och större kapacitet än alla kommersiellt tillgängliga adsorbenter, enligt forskarna.
"Karboxylerad titankarbid MXene visade sig vara mycket överlägsen sorbentmaterial som för närvarande används för avlägsnande av kvicksilverjoner," sa Soroush. "Inom en minut kunde den ta bort 95 % av kvicksilverjonerna från ett vattenprov som var förorenat med en koncentration av 50 ppm, vilket betyder att det kunde vara tillräckligt effektivt och effektivt för användning i storskalig rening av avloppsvatten."
Inom fem minuter avlägsnade titankarbid MXene och karboxylerad titankarbid MXene 98 % av kvicksilverjonerna från ett 10-milliliter vattenprov kontaminerat med kvicksilverjoner i koncentrationer mellan 1 och 1000 ppm.
"Detta indikerar att både [MXene] och [karboxylerat MXene] är effektiva adsorbenter för att ta bort kvicksilverjoner från avloppsvatten på grund av deras speciella strukturella egenskaper och höga densitet av ytfunktionella grupper", skrev teamet. "Generellt följer adsorptionsmekanismen för metalljoner två steg; till en början adsorberas jonerna snabbt på de tillgängliga aktiva platserna, och processen är snabb. Adsorptionen fortskrider långsammare när adsorptionsställena fylls upp och jonerna måste diffunderar in i porerna och mellanskiktet."
Utvecklingen är betydande i kampen för att begränsa kvicksilverföroreningarna, som har blivit så genomgripande att hälsomyndigheter rekommenderar att man helt och hållet undviker att äta vissa fiskarter. Ansträngningar för att begränsa det kvicksilver som frigörs vid förbränning av fossila bränslen har visat sig vara lika utmanande som att minska beroendet av själva bränslena.
Även om att flytta bort från de förorenande energikällorna är den ultimata lösningen för att förhindra utsläpp av tungmetaller, som kvicksilver, i miljön, menar Soroush att detta genombrott kan leda till nya möjligheter för att sanera de föroreningar som redan har skapats.
"Vi föreställer oss att användningen av den karboxylerade MXene-tekniken för att ta bort alla tungmetalljoner," sa han. "Förutom att använda den karboxylerade MXene som sorbent, är ett annat sätt att uppnå detta att tillverka filter belagda eller inbäddade med den karboxylerade MXenen." + Utforska vidare
