‘Nanojars’ vangen opgeloste koolstofdioxide, giftige ionen uit water

Kooldioxide uit de atmosfeer kan oplossen in oceanen, meren en vijvers, waarbij bicarbonaationen en andere verbindingen worden gevormd die de waterchemie veranderen, met mogelijk schadelijke effecten op in het water levende organismen. Bovendien kan bicarbonaat later als koolstofdioxide in de atmosfeer terugkeren, wat bijdraagt ​​aan klimaatverandering. Nu hebben onderzoekers kleine “nanojars” ontwikkeld, veel kleiner dan de breedte van een mensenhaar, die bicarbonaat in carbonaat splitsen en het vangen, evenals bepaalde giftige anionen, zodat de ionen kunnen worden verwijderd en mogelijk gerecycled.

De onderzoekers presenteren hun resultaten vandaag op de najaarsbijeenkomst van de American Chemical Society (ACS).

“We hebben oorspronkelijk nanojars ontwikkeld om schadelijke negatief geladen ionen, zoals chromaat en arsenaat, uit water te extraheren”, zegt Gellert Mezei, Ph.D., die het werk op de bijeenkomst presenteert. “Maar het blijkt dat ze ook sterk binden aan carbonaat.” Carbonaat of andere ionen die in de nanojars zijn gevangen, kunnen later worden weggegooid of gerecycled tot bruikbare producten, zegt hij.

Nanojars zijn kleine containers die bestaan ​​uit meerdere herhalende eenheden van een koperion, een pyrazoolgroep en een hydroxide. De potjes ontstaan ​​alleen als er een ion met een –2 lading, zoals chromaat, arsenaat, fosfaat of carbonaat, aanwezig is. Wanneer de juiste ingrediënten aan een organisch oplosmiddel worden toegevoegd, worden de herhalende eenheden gevormd en samengevoegd tot nanojars, met het -2 geladen anion stevig gebonden in het midden.

Om anionen uit water te verwijderen, voegden de onderzoekers het oplosmiddel toe met daarin de nanojar-componenten, die een organische laag op het water vormden. “Het oplosmiddel vermengt zich niet met het water, maar de anionen uit het water kunnen in deze organische laag terechtkomen”, legt Mezei uit, verbonden aan de Western Michigan University. “Vervolgens vormen en wikkelen de nanojars zich rond de ionen, waardoor ze in de organische fase worden gevangen.” Omdat de water- en organische lagen niet mengen, kunnen ze gemakkelijk worden gescheiden. Door de organische laag te behandelen met een zwak zuur vallen de nanojars uit elkaar, waardoor de anionen vrijkomen voor verwijdering of recycling.

De onderzoekers hebben nanojars gebruikt om giftige anionen uit water te verwijderen. “We hebben aangetoond dat we chromaat en arsenaat kunnen extraheren tot onder de door de US Environmental Protection Agency toegestane niveaus voor drinkwater – echt heel lage niveaus”, zegt Mezei. De nanojars hebben een nog hogere affiniteit voor carbonaat, en het toevoegen van een molecuul genaamd 1,10-fenantroline aan het mengsel produceert nanojars die elk twee carbonaationen binden in plaats van één.

Het team heeft ook nanojars gemaakt die selectief zijn voor bepaalde anionen. “De originele bouwsteen van pyrazol maakt nanojars die volledig selectief zijn voor -2 geladen ionen, maar ze kunnen geen onderscheid maken tussen deze ionen”, zegt Mezei. Door twee pyrazolen te gebruiken die door een ethyleenlinker zijn vastgemaakt als bouwsteen, maakten de onderzoekers nanojars die bij voorkeur aan carbonaat binden. Meer recentelijk hebben ze aangetoond dat het gebruik van twee pyrazolen met een propyleenlinker sulfaat-selectieve nanojars produceert. Deze anion-selectieve nanojars zullen belangrijk zijn voor toepassingen waarbij alleen bepaalde –2 geladen ionen moeten worden verwijderd.

De onderzoekers hebben ook gewerkt aan het geschikter maken van het proces voor toepassingen in de echte wereld. Ze hebben bijvoorbeeld een zwakke base, trioctylamine, verwisseld voor de sterke base, natriumhydroxide, dat oorspronkelijk werd gebruikt om nanojars te maken. “Trioctylamine is, in tegenstelling tot natriumhydroxide, oplosbaar in de organische fase en maakt de vorming van de nanojars veel efficiënter”, zegt Mezei. Interessant is dat trioctylamine ervoor zorgt dat nanojars worden gevormd met enigszins verschillende structuren, die hij “afgetopte” nanojars noemt, maar ze lijken carbonaat net zo stevig te binden.

Tot nu toe zijn alle experimenten op laboratoriumschaal uitgevoerd. Om een ​​systeem te ontwikkelen om grote hoeveelheden water te behandelen, zoals in een meer, is samenwerking met ingenieurs vereist, zegt Mezei. Hij stelt zich echter voor dat verontreinigd meerwater in een station kan worden gepompt voor behandeling en vervolgens kan worden teruggebracht naar het meer. Sommige ionen, zoals fosfaat, kunnen worden hergebruikt voor nuttige doeleinden, zoals kunstmest. Carbonaat kan worden gerecycled om “groene” oplosmiddelen te maken, carbonaatesters genaamd, voor de nanojar-extractie zelf. “Of dit proces voor het verwijderen van koolstofdioxide uit water – en indirect de atmosfeer – zou concurreren met andere technologieën, dat weet ik nog niet”, zegt Mezei. “Er zijn veel aspecten waarmee rekening moet worden gehouden, en dat is een lastige zaak.”