MXene-Material kann einer Quecksilberkontamination entgegenwirken

Forscher schätzen, dass sich die Quecksilberemissionen in der Atmosphäre seit der industriellen Revolution vervierfacht haben. Das Schwermetall, das durch die Verbrennung fossiler Brennstoffe und die Entsorgung von industriellen und medizinischen Abfällen entsteht, ist in Gewässern so hartnäckig geworden, dass die US-amerikanische Food and Drug Administration vorschlägt, dass etwa ein halbes Dutzend Fischarten so mit Quecksilber verseucht sind, dass Menschen den Konsum vermeiden sollten Sie. Forscher arbeiten seit vielen Jahren daran, Systeme zur Entfernung von Quecksilber aus Wasser zu entwickeln. Aber ein Team der Drexel University könnte genau das richtige Material gefunden haben, um das ausweichende Quecksilber – selbst in geringen Mengen – effizient einzufangen und kontaminierte Gewässer zu reinigen.

Unter vielen Methoden zur Entfernung von Quecksilber aus Wasser ist die Adsorption – der Prozess des chemischen Anziehens und Entfernens von Verunreinigungen – aufgrund ihrer relativen Einfachheit, Effizienz und geringen Kosten die vielversprechendste Technologie, so Drexel College of Engineering Professor Masoud Soroush, Ph.D. , dessen Labor eine neue Adsorptionstechnologie entwickelt.

„Moderne Adsorptionsmittel wie Harze, mesoporöse Kieselsäure, Chalkogenide und mesoporöse Kohlenstoffe haben eine höhere Effizienz als traditionelle Adsorptionsmittel wie Aktivkohle, Ton und Zeolithe, die eine geringe Affinität zu Quecksilber und geringe Kapazitäten haben“, sagte Soroush. „Das Problem bei all diesen Materialien ist jedoch, dass ihre Quecksilberentfernungseffizienz immer noch gering ist und sie den Quecksilbergehalt nicht auf weniger als 1 Teil pro Milliarde senken können.“

Soroushs Forscherteam von Drexel und der Temple University hat die Synthese und Verwendung eines oberflächenmodifizierten Titankarbids MXene zur Quecksilberentfernung untersucht. MXene sind eine Familie von zweidimensionalen Nanomaterialien, die vor mehr als einem Jahrzehnt bei Drexel entdeckt wurden und viele außergewöhnliche Eigenschaften gezeigt haben. Das Team berichtete kürzlich über seine Ergebnisse in der Zeitschrift für gefährliche Materialien.

Für die Entfernung von Quecksilberionen sind die Vorteile von Titancarbid MXene laut Soroush seine negativ geladene Oberfläche und die Einstellbarkeit und Vielseitigkeit seiner Oberflächenchemie, was MXene für die Entfernung von Schwermetallionen attraktiv macht. Aufgrund dieser Eigenschaften und der Schichtstruktur von MXene haben Materialien auf Titancarbid-MXene-Basis eine überlegene Leistung bei der Gastrennung, der Entfernung von Salz aus Wasser, der Abtötung von Bakterien und der Nierendialyse gezeigt.

„Wir wussten, dass 2D-Materialien wie Graphenoxid und Molybdändisulfid zuvor aufgrund ihrer chemischen Funktionalitäten/Strukturen, die Metallionen anziehen, bei der Entfernung von Schwermetallen aus Abwasser durch Adsorption wirksam waren“, sagte Soroush. „MXene sind eine ähnliche Art von Materialien, aber wir schätzten, dass Titancarbid MXene viel größere Aufnahmekapazitäten haben könnte als diese anderen Materialien – und es daher zu einem besseren Sorptionsmittel für Quecksilberionen macht.“

Aber Soroushs Team musste eine entscheidende Anpassung an der chemischen Struktur von Titancarbid MXene vornehmen, um das Material für eine seiner anspruchsvollsten Aufgaben weiter zu verbessern.

„Quecksilber wird aus einem bestimmten Grund Quecksilber genannt – es ist ziemlich ausweichend, wenn es einmal in die Umwelt abgegeben wird, sei es durch die Verbrennung fossiler Brennstoffe, den Bergbau oder die Müllverbrennung“, sagte Soroush. „Es ändert schnell seine chemische Form – es erhöht seine Toxizität und macht es enorm schwierig, es aus den Gewässern zu entfernen, wo es sich unweigerlich ansammelt. Um Quecksilberionen noch schneller anzuziehen, mussten wir die Oberfläche von Titancarbid-MXene-Flocken modifizieren.“

Es besteht eine natürliche Anziehungskraft zwischen Quecksilberionen und der Titancarbid-MXene-Oberfläche, da Metallionen wie Quecksilber positiv geladen sind und die Oberfläche der MXene-Flocken negativ geladen ist. Um Quecksilberionen jedoch stärker aus dem Wasser zu ziehen, musste das Team dieser Attraktion einen Schub geben. Zu diesem Zweck behandelten sie die MXene-Flocken mit Chloressigsäure – ein Prozess namens Carboxylierung – der das MXene mit hochmobilen, starken Carbonsäuregruppen versieht und die negative Oberflächenladung der MXene-Flocken erhöht, wodurch die Fähigkeit der Flocken, sich anzuziehen und zu halten, verbessert wird Quecksilberionen.

Das Ergebnis war ein neues Sorbensmaterial – carboxyliertes Titancarbid MXene, das laut den Forschern eine schnellere Aufnahme von Quecksilberionen und eine größere Kapazität als alle im Handel erhältlichen Adsorptionsmittel zeigte.

„Carboxyliertes Titancarbid MXene hat sich als weit überlegen gegenüber Sorptionsmaterial erwiesen, das derzeit zur Entfernung von Quecksilberionen verwendet wird“, sagte Soroush. „Innerhalb einer Minute war es in der Lage, 95 % der Quecksilberionen aus einer Wasserprobe zu entfernen, die mit einer Konzentration von 50 Teilen pro Million kontaminiert war, was bedeutet, dass es effektiv und effizient genug für den Einsatz in der groß angelegten Abwasserbehandlung sein könnte.“

Innerhalb von fünf Minuten entfernten Titancarbid MXene und carboxyliertes Titancarbid MXene 98 % der Quecksilberionen aus einer 10-Milliliter-Wasserprobe, die mit Quecksilberionen in Konzentrationen zwischen 1 und 1000 Teilen pro Million kontaminiert war.

„Das deutet darauf hin, dass beides [MXene] und [carboxylated MXene] sind aufgrund ihrer besonderen strukturellen Eigenschaften und der hohen Dichte an funktionellen Oberflächengruppen wirksame Adsorptionsmittel, um Quecksilberionen aus Abwasser zu entfernen“, schrieb das Team. „Im Allgemeinen folgt der Adsorptionsmechanismus von Metallionen zwei Schritten; Zunächst werden die Ionen schnell an den verfügbaren aktiven Stellen adsorbiert, und der Prozess ist schnell. Die Adsorption verläuft langsamer, wenn sich die Adsorptionsstellen füllen, und die Ionen müssen in die Poren und die Zwischenschicht diffundieren.“

Diese Entwicklung ist bedeutsam im Kampf gegen die Quecksilberbelastung, die so allgegenwärtig geworden ist, dass die Gesundheitsbehörden empfehlen, auf den Verzehr bestimmter Fischarten ganz zu verzichten. Die Bemühungen, das durch die Verbrennung fossiler Brennstoffe freigesetzte Quecksilber einzudämmen, haben sich als ebenso herausfordernd erwiesen wie die Verringerung der Abhängigkeit von den Brennstoffen selbst.

Während die Abkehr von umweltschädlichen Energiequellen die ultimative Lösung ist, um die Freisetzung von Schwermetallen wie Quecksilber in die Umwelt zu verhindern, schlägt Soroush vor, dass dieser Durchbruch neue Möglichkeiten zur Beseitigung der bereits entstandenen Umweltverschmutzung eröffnen könnte.

„Wir stellen uns vor, dass die carboxylierte MXene-Technologie verwendet wird, um alle Schwermetallionen zu entfernen“, sagte er. „Neben der Verwendung des carboxylierten MXens als Sorptionsmittel besteht ein weiterer Weg, dies zu erreichen, darin, Filter herzustellen, die mit dem carboxylierten MXen beschichtet oder eingebettet sind.“