Newsy

Innowacyjne kryształy oczyszczają wodę z metali bez usuwania przy tym cennych jonów. To szansa na rozwiązanie problemu niedoboru wody [DEPESZA]

2020-12-04  |  06:00
Wszystkie newsy

Zespół naukowców z Lawrence Berkeley National Laboratory przy Uniwersytecie Kalifornijskim opracował krystaliczny materiał zwany ZIOS, który potrafi błyskawicznie i z dużą dokładnością wychwytywać atomy miedzi ze ścieków. Upowszechnienie tej technologii pozwoli zauważalnie poprawić proces uzdatniania poprzemysłowej wody i usunąć z niej metale ciężkie z atomową precyzją. To z kolei może przyczynić się do rozwiązania coraz poważniejszego problemu niedoboru wody na świecie.

Tradycyjne procesy uzdatniania wody kopalnianej są kosztowne, czasochłonne i często nie są w stanie usunąć metali ciężkich z atomową dokładnością. Rozwiązaniem tego problemu może okazać się innowacyjny materiał krystaliczny opracowany na Uniwersytecie Kalifornijskim, który pozwoli zwiększyć precyzję systemów uzdatniających wodę zanieczyszczoną pierwiastkami metali ciężkich.

– ZIOS ma wysoką zdolność adsorpcji i najszybszą kinetykę adsorpcji miedzi spośród wszystkich znanych dotychczas materiałów wszystko w jednym – podkreśla Jeff Urban, który kieruje zakładem nanostruktur nieorganicznych w centrum badawczym Molecular Foundry w Berkeley Lab (Uniwersytet Kalifornijski w Berkeley).

Naukowcy z centrum badawczego Molecular Foundry opracowali innowacyjną strukturę krystaliczną, imitującą procesy selektywnego doboru metali zachodzące w świecie natury. ZIOS swoim zachowaniem przypomina białka tworzące komórki bakteryjne, które wyspecjalizowały się w procesie wychwytywania konkretnych metali na potrzeby regulowania procesów metabolizmu komórkowego.

– ZIOS pomaga nam wybierać i usuwać tylko miedź – zanieczyszczenie w wodzie, które jest powiązane z chorobami i niewydolnością narządów, bez usuwania pożytecznych jonów, takich jak składniki odżywcze lub niezbędne minerały – dodaje dr Ngoc Bui, adiunkt w dziedzinie inżynierii chemicznej, biologicznej i materiałowej na Uniwersytecie Oklahomy.

Tym, co wyróżnia tę nowatorską strukturę, jest jej wysoka odporność. Kryształy ZIOS wykazują wysoką stabilność aż do 52 dni od zanurzenia w wodzie. Ponadto znacznie lepiej radzą sobie w kwaśnym środowisku niż struktury metaloorganiczne.

– W nauce o wodzie i przemyśle wodnym wiele rodzin materiałów zostało zaprojektowanych do odkażania ścieków, ale tylko nieliczne są przeznaczone do usuwania metali ciężkich z odwadniania kopalni kwaśnych. Mamy nadzieję, że ZIOS pomoże to zmienić – wskazuje Jeff Urban.

Największą zaletą ZIOS-a jest jego efektywność w procesie uzdatniania. Eksperymenty laboratoryjne wykazały, że nowe kryształy są w stanie wychwycić jony miedzi z wody od 30 do 50 razy szybciej niż wiodące adsorbenty miedzi wykorzystywane obecnie. Tak wysoka skuteczność zaskoczyła naukowców ze względu na niewielką powierzchnię kryształów.

– Zgodnie z dotychczasową wiedzą materiał, który ma wysoką zdolność adsorpcji, powinien mieć dużą powierzchnię właściwą, podobnie jak rodziny adsorbentów takie jak struktury metaloorganiczne lub porowate struktury aromatyczne, dysponujące niezwykle szybką kinetyką adsorpcji – wskazuje Ngoc Bui.

Aby potwierdzić wysoką skuteczność ZIOS-a, zespół opracował symulację dynamiki molekularnej, która miała wyjaśnić, dlaczego materiał przewyższa dotychczasowe metody wychwytywania metali ciężkich. Jak się okazało, ZIOS w wilgotnym środowisku funkcjonuje na podobnej zasadzie co gąbka absorbująca wodę. Materiał nie rozszerza jednak swojej struktury w sposób losowy, tylko robi to w specyficznym kierunku, co pozwala adsorbować cząsteczki wody.

Tę unikalną cechę potwierdziły badania za pośrednictwem promieniowania rentgenowskiego, które wykazały, że ZION składa się z niewielkich nanokanalików o rozmiarach cząsteczek wody, które po zanurzeniu w wodzie rozszerzają się. Dzięki temu przez materiał mogą przedostać się cząsteczki wody z jonami miedzi i w rezultacie wejść z ZIOS-em w reakcję chemiczną zwaną wiązaniem koordynacyjnym.

Naukowcy liczą na to, że dzięki rozwojowi tej technologii będzie można stworzyć zaawansowane systemy selektywnego uzdatniania wód, przystosowane do pracy z konkretnymi metalami ciężkimi.

– Dzisiejsze systemy uzdatniania wody to technologie separacji masowej – usuwają wszystkie substancje rozpuszczone, niezależnie od ich zagrożenia lub wartości – wskazuje Peter Fiske, dyrektor National Alliance for Water Innovation (NAWI) i Water-Energy Resilience Institute (WERRI) w Berkeley Lab. – Wysoce selektywne, trwałe materiały, które mogą wychwytywać określone składniki śladowe bez obciążania ich innymi substancjami, będą miały kluczowe znaczenie dla obniżenia kosztów i energii potrzebnej do procesu uzdatniania wody. Mogą również umożliwić nam wydobywanie ścieków w poszukiwaniu cennych metali lub innych składników śladowych.

Według firmy badawczej Meticulous Market Research wartość globalnego rynku technologii uzdatniania wody do 2025 roku wzrośnie do 221,3 mld dol. W najbliższych latach ma się rozwijać w tempie 6,5 proc. w skali roku.

Czytaj także

Więcej ważnych informacji

Jedynka Newserii

Jedynka Newserii

Kosmos

Pandemia opóźniła część projektów kosmicznych, choć nie zahamowała rozwoju branży. Rok 2021 ma przynieść kolejne istotne misje

Choć większość świata zwolniła w 2020 roku w związku z pandemią, przemysł kosmiczny ruszył do przodu. Para astronautów po raz pierwszy wystartowała na orbitę prywatnym statkiem kosmicznym, na Marsa ruszyły trzy oddzielne misje, a setki milionów kilometrów od Ziemi robot przechwycił największą próbkę asteroidy w historii. Jednocześnie wiele firm z sektora kosmicznego boryka się z problemami, zwłaszcza małe i średnie przedsiębiorstwa, które na ogół stanowią większość podmiotów komercyjnych. Tymczasem jakiekolwiek opóźnienia w dostarczaniu materiałów oznaczają albo ogromny wzrost kosztów, albo konieczność rezygnacji z misji.

Medycyna

Można już skorzystać z testów wykrywających COVID-19 w zaledwie pięć minut. Dostępne są także superszybkie i skuteczne testy molekularne

Tylko w Polsce od początku pandemii koronawirusa przeprowadzono blisko 8 mln testów. Początkowo popularnością cieszyły się zwłaszcza testy PCR, które potwierdzają lub wykluczają chorobę COVID-19. Obecnie, podczas drugiej fali, częściej wykonywane są testy na przeciwciała, które pozwalają określić, czy dana osoba przeszła już chorobę. Na rynku pojawiają się kolejne, superszybkie testy, które wykrywają koronawirusa  w ciągu kilku minut, jednak mają mniejszą wiarygodność niż testy PCR. W Polsce można wykonać tzw. ultraekspresy, czyli test molekularny RT-PCR, który wyniki podaje do trzech godzin po badaniu.