Naukowcy opracowali nowy polimer o strukturze cukropodobnej, który skutecznie usuwa metale ciężkie z wody, tworząc nierozpuszczalne grudki, które można łatwo przefiltrować i ponownie wykorzystać.
Ten przełom oferuje zrównoważone podejście do oczyszczania wody, wykazując znaczny potencjał w usuwaniu kadmu i ołowiu z zanieczyszczonej wody.
Innowacyjne oczyszczanie wody
Woda zanieczyszczona metalami ciężkimi może stanowić zagrożenie w przypadku spożycia przez ludzi i organizmy wodne. Polimery pochodzenia cukrowego z roślin usuwają te metale, ale często wymagają innych substancji, aby dostosować ich stabilność lub rozpuszczalność w wodzie.
Teraz badacze z Centralna nauka ACS zgłosili polimer podobny do cukru, który wychwytuje metale ciężkie w nierozpuszczalnych grudkach w celu ich łatwego usunięcia. W testach sprawdzających koncepcję polimer usunął jonowy kadm i ołów z wody rzecznej wzbogaconej tymi trwałymi zanieczyszczeniami.
Kropla tego polimeru wiąże się z kadmem, tworząc mętny osad, a następnie niewielka ilość kwas uwalnia metal ciężki, ponownie rozpuszczając polimer. Źródło: Cassandra Callmann
Polisacharydy i usuwanie metali
Niektóre jony metali ciężkich mogą być toksyczne w dużych ilościach w wodzie pitnej. Metody usuwania tych zanieczyszczeń, takie jak filtracja, mogą być energochłonne i opierać się na membranach wychwytujących metal, które szybko się zatykają i wymagają wymiany. Aby poprawić oczyszczanie wody, badacze zwrócili się ku roślinom. Rośliny chronią swoje komórki barierą z polisacharydów, zbudowaną z makrocząsteczek z powtarzającymi się jednostkami cukrowymi, które zatrzymują jony metali.
Na przykład, w niedawnym badaniubadacze wykorzystali lepkie ekstrakty polisacharydowe z okry i aloesu do usunięcia mikroplastików ze ścieków. Jednakże niektóre polisacharydy rozpuszczają się w wodzie, co wymaga stosowania dodatków w celu utworzenia nierozpuszczalnych żeli do wychwytywania i usuwania metali. Dlatego Cassandra Callmann i jej zespół badawczy z Uniwersytetu Teksasu w Austin postanowili zaprojektować pojedynczy materiał o strukturze cukropodobnej i kontrolowanej rozpuszczalności w wodzie, aby usuwać metale ciężkie z wody.
Wydajna konstrukcja polimerowa nadająca się do recyklingu
Zespół skonstruował kilka polimerów, z których każdy miał nierozpuszczalny w wodzie szkielet z różnymi rozpuszczalnymi w wodzie węglowodanami zwisającymi z powtarzających się jednostek niczym amulety na bransoletce. We wstępnych testach „amulet” węglowodanowy, który najskuteczniej przyciągał i wiązał kadm jonowy, zawierał grupę kwasu karboksylowego.
Następnie w badaniach wody wzbogaconej jonowym kadmem polimer z kwasem karboksylowym po trzech minutach utworzył widoczne grudki, które można było odfiltrować. Grudki również ponownie się rozpuściły, uwalniając kadm, regulując kwasowość wody.
Po trzech cyklach wiązania, zbrylania i ponownego rozpuszczania polimer zachował tę samą skuteczność wychwytywania metali, demonstrując swój potencjał jako materiału nadającego się do recyklingu.
Testowanie i potencjał nowego polimeru
Aby potwierdzić słuszność koncepcji, zespół następnie przetestował polimer zawierający węglowodany w wodzie rzeki Kolorado wzbogaconej jonowym kadmem i ołowiem. Próbka rzeki zawierała znacznie więcej jonowego wapnia, sodu i magnezu niż dodane metale.
W ciągu 24 godzin polimer wychwycił odpowiednio do 20% i 45% dodanego kadmu i ołowiu oraz minimalne ilości pozostałych jonów metali. Naukowcy twierdzą, że ich nowy materiał to obiecujący krok w kierunku bardziej wydajnych, nadających się do ponownego użycia i selektywnych materiałów do oczyszczania wody.
Odniesienie: „Inspirowane biologią polimery zawierające węglowodany skutecznie i odwracalnie sekwestrujące metale ciężkie” 11 września 2024 r., Centralna nauka ACS.
DOI: 10.1021/accentsci.4c01010
Autorzy dziękują za finansowanie Fundacji Welch, Instytutu Badań nad Zapobieganiem Rakowi w Teksasie i Narodowe Instytuty Zdrowia.
