Effektiva adsorbenter för industriell rening av avloppsvatten är viktiga för att minimera potentiella miljöskador. I synnerhet organiska färgämnen, som en betydande grupp av industriella föroreningar, är vanligtvis mycket vattenlösliga, icke-nedbrytbara och många är giftiga för cancerframkallande. Changxia Li och Freddy Kleitz från Kemiska fakulteten vid Wiens universitet presenterade nu tillsammans med kollegor ett nytt tillvägagångssätt för att designa ett innovativt kompositmaterial, bestående av ett nanoporöst, ultratunt kovalent organiskt ramverk (COF) förankrat på grafen, som är mycket effektivt vid filtrering av organiska föroreningar från vatten. Studien publicerades i Angewandte Chemie .

"Det finns flera sätt, inklusive filter med aktivt kol, att rena vatten idag, men det finns fortfarande utrymme för förbättringar av applikationernas effektivitet eller adsorptionskapacitet", säger första författare och postdoktor Changxia Li.

Freddy Kleitzs grupp vid Institutet för oorganisk kemi—Functional Materials utvecklar nya nanoporösa material. Porösa material har en mycket större total yta än ett icke-poröst material för samma volym och kan därmed ackumulera ett särskilt stort antal molekyler på ytorna under adsorptionsförloppet.

Mycket porös COF som en ny klass av material

Kovalenta organiska ramverk (COF) är en relativt ny klass av material. De är särskilt porösa, samtidigt som de har låg densitet och är lätta. Kovalent betyder att deras kemiska bindningar bildas via elektronpar mellan atomer.

Färgämnena som forskarna studerade i sin vattenhaltiga modelllösning var cirka 0,8 till 1,6 nanometer stora. "Vi utvecklade en ny metod för att bilda COF på ett jämförelsevis miljövänligt sätt med vatten. Som sådan kunde vi utveckla små "svampar", med designade porstorlekar och porformer i nanometerintervallet, samt ett avstämt negativ ytladdning, som var mycket selektiv när det gällde att dra de positivt laddade målmolekylerna, d.v.s. våra färgämnen, ur vattnet," sa forskarna, "Precis som att svampen suger upp vattnet, är det bara i vårt fall det är föroreningarna."

En ryggrad gjord av grafen

Vid användning av bulk COF-pulver är materialets inre porer ofta inte längre tillgängliga för föroreningar på grund av porblockering i ytterkanten, särskilt för stora föroreningsmolekyler. Det nya kompositmaterialet som utvecklats av forskarna erbjuder en genomtränglig struktur:För detta ändamål odlade forskarna COF på tunnskiktade grafennanoark. Kombinationen av grafen – i sig redan ett 2D-lager av kolatomer – och lagret av COF, som är upp till två nanometer tjockt, resulterade i en kompakt, öppen 3D-struktur. Det ultratunna COF-skiktet kan exponera fler adsorptionsställen än COF-pulvret i bulk.

Å andra sidan stödjer de större, bikakeliknande porerna i grafennätverket transporten av vatten genom filtermaterialet. "De stora porerna i grafennätverket i kombination med det ultratunna COF-lagret med stora mängder adsorptionsställen möjliggör därför särskilt snabb och effektiv avloppsvattenrening", sa forskarna. På grund av den jämförelsevis låga materialinmatningen av grafen samt möjligheten att återanvända kompositmaterialet - efter att föroreningarna har tvättats ut - som ett filter, är utvecklingen också relativt kostnadseffektiv, sa de. + Utforska vidare

Vattenkluster i hydrofoba kristallina porösa kovalenta organiska ramverk