Koldioxid från atmosfären kan lösas upp i haven, sjöar och dammar, bildar bikarbonatjoner och andra föreningar som förändrar vattenkemin, med möjliga skadliga effekter på vattenlevande organismer. Dessutom, bikarbonat kan komma in i atmosfären igen som koldioxid senare, bidra till klimatförändringarna. Nu, forskare har utvecklat små "nanojars, "mycket mindre än bredden på ett människohår, som delar bikarbonat till karbonat och fångar upp det, samt vissa giftiga anjoner, så att jonerna kan avlägsnas och potentiellt återvinnas.

Forskarna kommer att presentera sina resultat i dag på höstmötet i American Chemical Society (ACS).

"Vi utvecklade ursprungligen nanojars för att utvinna skadliga negativt laddade joner, som kromat och arsenat, från vatten, säger Gellert Mezei, Ph.D., vem som presenterar arbetet på mötet. "Men det visar sig att de också binder starkt till karbonat." Karbonat eller andra joner som fångas i nanojars kan senare kasseras eller återvinnas till användbara produkter, han säger.

Nanojars är små behållare som består av flera upprepade enheter av en kopparjon, en pyrazolgrupp och en hydroxid. Burkarna bildas bara när en jon med en –2-laddning, som kromat, arsenat, fosfat eller karbonat, är närvarande. När de rätta ingredienserna tillsätts till ett organiskt lösningsmedel, de återkommande enheterna formas och sätts samman till nanojars, med den laddade anjonen –2 tätt bunden i mitten.

För att ta bort anjoner från vatten, forskarna lade till lösningsmedlet som innehöll nanojarkomponenterna, som bildade ett organiskt skikt ovanpå vattnet. "Lösningsmedlet blandas inte med vattnet, men anjonerna från vattnet kan komma in i detta organiska skikt, " förklarar Mezei, som är vid Western Michigan University. "Sedan, nanojars bildas och lindar runt jonerna, fångar dem i den organiska fasen." Eftersom vattnet och de organiska lagren inte blandas, de kan lätt separeras. Att behandla det organiska lagret med en svag syra gör att nanojarsarna faller isär, släpper ut anjonerna för kassering eller återvinning.

Forskarna har använt nanojars för att ta bort giftiga anjoner från vatten. "Vi har visat att vi kan extrahera kromat och arsenat till under U.S. Environmental Protection Agency-tillåtna nivåer för dricksvatten – verkligen, riktigt låga nivåer, " säger Mezei. Nanoburkarna har en ännu högre affinitet för karbonat, och lägga till en molekyl som heter 1, 10-fenantrolin till blandningen producerar nanojars som binder två karbonatjoner vardera istället för en.

Teamet har också gjort nanojars som är selektiva för vissa anjoner. "Den ursprungliga pyrazolbyggstenen gör nanojars som är helt selektiva för –2 laddade joner, men de kan inte skilja mellan dessa joner, " säger Mezei. Genom att använda två pyrazoler bundna av en etylenlinker som byggsten, forskarna gjorde nanojars som binder företrädesvis till karbonat. På senare tid, de har visat att användning av två pyrazoler med en propylenlänk ger sulfatselektiva nanojars. Dessa anjonselektiva nanojars kommer att vara viktiga för tillämpningar där endast vissa –2 laddade joner ska avlägsnas.

Forskarna har också arbetat med att göra processen mer lämpad för verkliga tillämpningar. Till exempel, de har bytt en svag bas, trioktylamin, för den starka basen, natriumhydroxid, ursprungligen användes för att göra nanojars. "Trioktylamin, till skillnad från natriumhydroxid, är lösligt i den organiska fasen och gör bildningen av nanojars mycket effektivare, " säger Mezei. Intressant nog, trioktylamin gör att nanojars bildas med lite olika strukturer, som han refererar till som "capped" nanojars, men de verkar binda karbonat lika hårt.

Än så länge, alla experiment har utförts i laboratorieskala. Utveckla ett system för att behandla stora volymer vatten, som i en sjö, kommer att kräva samarbete med ingenjörer, säger Mezei. Dock, han föreställer sig att förorenat sjövatten skulle kunna pumpas in i en station för rening och sedan återföras till sjön. Vissa joner, såsom fosfat, kan återvinnas för användbara ändamål, som gödningsmedel. Karbonat kan återvinnas för att göra "gröna" lösningsmedel, kallas karbonatestrar, för själva nanojarextraktionen. "Oavsett om denna process för att ta bort koldioxid från vatten –– och indirekt, atmosfären –– skulle vara konkurrenskraftig med andra tekniker, som jag inte vet ännu, " säger Mezei. "Det finns många aspekter som måste beaktas, och det är en knepig affär."