Углекислый газ из атмосферы может растворяться в океанах, озерах и прудах, образуя ионы бикарбоната и другие соединения, которые изменяют химический состав воды, с возможным вредным воздействием на водные организмы.

Кроме того, бикарбонат может повторно поступать в атмосферу позже в виде углекислого газа, способствуя изменению климата. Теперь исследователи разработали крошечные «наноканочки», намного меньше ширины человеческого волоса, которые расщепляют бикарбонат на карбонат и захватывают его, а также некоторые токсичные анионы, так что ионы могут быть удалены и потенциально переработаны.

Исследователи представят свои результаты сегодня на осеннем собрании Американского химического общества (ACS). ACS Fall 2021 – это гибридная встреча, которая проводится виртуально и лично с 22 по 26 августа, а контент по запросу будет доступен с 30 августа по сентябрь. 30. На встрече представлено более 7000 презентаций по широкому кругу научных тем.

«Изначально мы разработали наноконденсаты для извлечения вредных отрицательно заряженных ионов, таких как хромат и арсенат, из воды», – говорит доктор философии Геллерт Мезей, представляющий работу на собрании. «Но оказывается, что они также сильно связываются с карбонатом». Карбонат или другие ионы, захваченные в наноконденсаторе, позже можно было бы утилизировать или переработать в полезные продукты, – говорит он.

Нанояры представляют собой крошечные контейнеры, состоящие из множества повторяющихся единиц иона меди, пиразольной группы и гидроксида. Банки образуются только при наличии иона с зарядом –2, такого как хромат, арсенат, фосфат или карбонат. Когда подходящие ингредиенты добавляются к органическому растворителю, повторяющиеся единицы образуются и собираются в нанокарбоны с заряженным анионом –2, прочно связанным в центре.

Чтобы удалить анионы из воды, исследователи добавили растворитель, содержащий компоненты нанояс, которые образовали органический слой поверх воды. «Растворитель не смешивается с водой, но анионы из воды могут проникать в этот органический слой», – поясняет Мезей из Университета Западного Мичигана. «Затем нанокарбоны образуют и обвивают ионы, удерживая их в органической фазе». Поскольку вода и органические слои не смешиваются, их можно легко разделить. Обработка органического слоя слабой кислотой приводит к распаду сосудов, высвобождая анионы для утилизации или переработки.

Исследователи использовали нанокарбоны для удаления токсичных анионов из воды. «Мы показали, что можем извлекать хромат и арсенат до уровней, ниже разрешенных Агентством по охране окружающей среды США для питьевой воды – действительно, очень низких уровней», – говорит Мезей. Банки обладают еще большим сродством к карбонату, а добавление к смеси молекулы, называемой 1,10-фенантролин, приводит к образованию банок, которые связывают два карбонатных иона вместо одного.

Команда также создала наноконденсаты, которые являются селективными по отношению к определенным анионам. «Первоначальный строительный блок пиразола делает нанояды, которые полностью селективны по отношению к –2 заряженным ионам, но они не могут различать эти ионы», – говорит Мезей. Используя два пиразола, связанных этиленовым линкером, в качестве строительного блока, исследователи создали наноядерные банки, которые связываются преимущественно с карбонатом. Совсем недавно они показали, что использование двух пиразолов с пропиленовым линкером дает сульфат-селективные наноязыки. Эти анион-селективные нанояды будут важны для приложений, в которых необходимо удалять только определенные –2 заряженные ионы.

Исследователи также работали над тем, чтобы сделать процесс более подходящим для реальных приложений. Например, они заменили слабое основание, триоктиламин, на сильное основание, гидроксид натрия, первоначально использовавшееся для изготовления нанососудов . «Триоктиламин, в отличие от гидроксида натрия, растворим в органической фазе и делает образование наноядерных сосудов гораздо более эффективным», – говорит Мезей . Интересно, что триоктиламин вызывает образование наноконденсатных сосудов с несколько иной структурой, которую он называет «закрытыми» наноконденсатными сосудами, но они, по-видимому, связывают карбонат так же прочно.

Пока все эксперименты проводились в лабораторном масштабе. По словам Мезеи, разработка системы для очистки больших объемов воды, например в озере, потребует сотрудничества с инженерами. Однако он предполагает, что загрязненную воду из озера можно перекачивать на станцию ​​для обработки, а затем возвращать в озеро. Некоторые ионы, такие как фосфат, можно использовать повторно, например, в качестве удобрений. Карбонат может быть переработан для производства «зеленых» растворителей, называемых сложными эфирами карбоната, для самой экстракции из наносодержащих сосудов. «Будет ли этот процесс удаления углекислого газа из воды – и косвенно из атмосферы – конкурировать с другими технологиями, я пока не знаю», – говорит Мезей. «Есть много аспектов, которые необходимо учитывать, и это непростое дело».

Запись брифинга для СМИ по этой теме будет опубликована в среду, 25 августа, в 9 часов утра по восточному времени на сайте www.acs.org/acsfall2021briefings.

Исследователи выражают признательность за поддержку и финансирование Национального научного фонда и Университета Западного Мичигана.

Источник: https://www.acs.org/content/acs/en.html[19459007visible