Organiska föreningar i avloppsvatten, såsom färgämnen och pigment i industriavloppsvatten, är giftiga eller har dödlig effekt på vattenlevande och människor. Allt fler bevis har visat att de organiska föroreningarna som släpps ut från elektroplätering, textilproduktion, kosmetika, läkemedel är de främsta orsakerna till den högre sjukligheten i njurarna, lever, och cancer i urinblåsan, etc. Organiska föroreningar, speciellt metylblått och metylorange, är stabila mot ljus, värme eller oxidationsmedel och mycket svåra att avlägsna med konventionella kemiska eller biologiska avloppsvattenreningstekniker. Nyligen har forskare utvecklat några nya strategier med bra färgavlägsnande prestanda; dock, ett efterföljande reningsförfarande för adsorbent är oundvikligt efter vattenbehandling, som ofta är komplicerade och inte lämpar sig för praktisk vattenrening.

Nu, använder laserinducerad tillverkningsteknik, ett team av kinesiska forskare från Shandong University, Kina har utvecklat en ny färgabsorbent som kallas hybridnano-partiklar av silver och silversulfid (Ag2S@Ag hybridnano-partiklar) och demonstrerat nanomaterialets överlägsna adsorptionsprestanda för att ta bort metylblått och metylorange från avloppsvatten. Mer viktigt, de nya adsorbenterna kan avlägsnas direkt från lösningar med filter utan absorberande reningsprocedurer, eftersom de silverbaserade hybridnano-partiklarna kommer att agglomereras och deponeras på botten efter adsorbering av färgämnen, ger en grön, enkel, snabb och billig lösning för vattenrening. Denna vecka i journalen Optical Materials Express , från The Optical Society (OSA), forskarna beskriver arbetet.

"Utan att använda några dyra kemiska reagenser eller anläggningar, den laserinducerade tillverkningsmetoden är en låg kostnad, snabb, enkel och mångsidig väg för tillverkning av Ag2S@Ag hybrid nanokristaller, sa Ming Chen, huvudförfattaren och en docent vid School of Physics och State Key Laboratory of Crystal Materials vid Shandong University, Kina. "Efter att ha adsorberat färgämnen som metylblått och metylorange, de agglomererade och avsatta adsorbenterna kan lätt avlägsnas från lösningar med filter, som är mycket fördelaktiga för de praktiska avloppsreningsverken."

Chens team använde en teknik som kallas laserablation för att tillverka silverbaserade hybrid nanokristaller i vätska, vilket är en process för att avlägsna material från en fast eller flytande yta genom att bestråla den med en laserstråle. I ett typiskt experiment, forskarna placerade en välpolerad silvermetall på botten av en roterande glasskål fylld med tioacetamidlösning som en svavelkälla för att tillverka silversulfid. Silverytan fokuserades sedan av en laserstråle, och på kort tid, snabb kokning och förångning av silverelement inträffade, resulterar i explosiv silverplasma med ultrahög temperatur (cirka tusentals Celsius) på den bestrålade platsen. Den initiala processen vid kristallbildning, eller kärnbildning av silver och sulfid, ägde rum i det tidiga skedet av snabb kondensation av silverplasman, och avbröts skarpt på några mikrosekunder på grund av att laserpulsen löper ut och uttömmande expansion av silverångan.

"Under tillverkningen av Ag2S@Ag nanopartiklar, det icke-jämviktstillstånd som skapas av efterföljande laserablation leder till olika defekter, vilket resulterar i närvaron av rikligt oordnade silverarter på ytan av silversulfidnanopartiklar och bildar ett silverskal, Chen förklarade. "Efter lasertillverkning, den snabba släckningsprocessen ökade graden av oordning hos silverarter, gör fler och fler silveratomer i ett mycket exciterat tillstånd."

Teamets tidiga studie visade att elektronfördelningen av de mycket exciterade silverarterna kan påverkas av Ag2S@Ag nanopartiklar, vilket resulterar i "polariserade" silverarter, eller silverarter med positiva laddningar som färgämnesadsorptionsställen. Eftersom färgämnesmolekyler som metylblått och metylorange har negativt laddade funktionella grupper, på grund av stark elektrostatisk kraft mellan positiva och negativa laddningar, de förbättrade adsorptionsställena på hybridmaterialets yta kommer att fästa fler färgämnesmolekyler, vilket leder till materialets förbättrade förmåga att ta bort färgämnen.

"Våra experimentella resultat visade att över 99 procent metylblått molekyler i avloppsvatten adsorberades av Ag2S@Ag nanomaterial på fem minuter, " Sa Chen. "De ultraviolett-synliga absorptionsspektra av lösningen visade också tydligt att efter adsorbering av färgämnesmolekylerna, Ag2S@Ag nanomaterialet agglomererades till många stora kluster, avsätts sedan på botten av lösningen. Under tiden, aggregeringen och avsättningen leder till en betydande förändring i lösningens färg från blå till färglös."

Chen uppskattade att efter metylblåttadsorptionsreaktion, över 99 procent av Ag2S@Ag nanomaterial kan avlägsnas från lösningen med filter.

"Jämfört med konventionella adsorbentreningsprocesser, såsom centrifugalprocess eller användning av externa magnetfält, som är komplicerade och inte lämpar sig för praktisk vattenrening, filterprocessen är enkel, snabb och kostnadseffektiv, ", sa Chen. "Vår nya metod hoppar över adsorbentreningsprocessen, som främjar användningen av Ag2S@Ag nanopartiklar som avancerade adsorberande material för praktisk avloppsvattenrening i framtiden."

Eftersom färgämnesmolekylerna inte lätt desorberas från de agglomererade adsorbenterna genom standardvärmebehandling, forskarnas nästa steg är att studera desorptionsmetoden för färgämnesmolekyler från Ag2S@Ag-adsorbenterna för att realisera materialåtervinning i framtiden.