Efficiënte zuiveringsprocessen die onzuiverheden scheiden van lucht en water zijn nodig om het leven op aarde in stand te houden. Hiertoe worden al lang koolstofmaterialen gebruikt voor het deodoriseren, scheiden en verwijderen van schadelijke anionverontreinigingen door adsorptie. Tot nu toe is het gedetailleerde mechanisme waarmee koolstof water zuivert, een mysterie gebleven. Bovendien is het niet bekend of de op het koolstofmateriaal geadsorbeerde waterige oplossing zuur, alkalisch of neutraal is.
Om deze hiaten aan te pakken, onderzochten onderzoekers onder leiding van Dr. Takahiro Ohkubo, universitair hoofddocent bij de afdeling Scheikunde, Faculteit der Natuurwetenschappen en Technologie, Okayama University, Japan het fundamentele mechanisme waarmee anionen worden geadsorbeerd door koolstofnanoporiën.
In een recent artikel online beschikbaar gemaakt op 16 september 2022 en gepubliceerd in de Journal of Colloid and Interface Sciencerapporteren de onderzoekers met behulp van Raman-spectroscopische hulpmiddelen om de adsorptie van nitraationen door de cilindrische porie van enkelwandige koolstofnanobuisjes (SWCNT) te onderzoeken.
Dr. Ohkubo en zijn collega’s slaagden erin het mechanisme van de vorming van zure lagen nabij de poriewanden te ontcijferen. Het blijkt dat, wanneer een waterige oplossing die ionen bevat het koolstofmateriaal binnendringt, zelfs als de waterige oplossing neutraal is, een zure waterige laag die protonen bevat wordt gevormd die een stabiele toestand handhaaft. In een commentaar op de nieuwheid en fundamentele aard van hun werk zegt Dr. Ohkubo: “Tot op heden zijn er geen rapporten die het bestaan aantonen van zure adsorptielagen gevormd in nanobuisjes van koolstofmaterialen.”
Het onderzoeksteam, waartoe ook Dr. Nobuyuki Takeyasu, universitair hoofddocent aan dezelfde faculteit van de universiteit van Okayama behoorde, ontdekte dat de zure laag een efficiënte adsorptie van de negatief geladen nitraataniononzuiverheden mogelijk maakt, waar de geadsorbeerde hoeveelheid nitraationen veel groter is dan dat. van de kationen, of de positief geladen groepen. Bovendien worden hydroxide-ionen gegenereerd als tegenionen. De anionen die in de bulkoplossing aanwezig zijn, worden uitgewisseld met de hydroxide-ionen in de SWCNT, waardoor de waterige oplossing alkalisch wordt.
Het team onderzocht anionadsorptie met behulp van verschillende alkalimetaalnitraten, waaronder lithiumnitraat, natriumnitraat, rubidiumnitraat en cesiumnitraatoplossingen. Ze ontdekten dat er meer nitraationen worden geadsorbeerd dan metaalionen. De hoeveelheid protonadsorptie was bijna hetzelfde, ongeacht het type alkalimetaalion dat werd gebruikt. Dr. Ohkubo zegt: “De zure laag in de porie kan de nitraatanionsoorten sterk adsorberen vanwege zowel de sterke opsluiting door de porie als de sterke interactie tussen de laag en het anion.”
De bevindingen zijn inderdaad belangrijke stappen in het ontwerpen en ontwikkelen van koolstofnanobuisjes die geschikt zijn voor ionenadsorptie en zuivering van water en lucht. Het zuiveringsmechanisme dat in dit onderzoek wordt uiteengezet, is een nieuw model dat de alkaliteit van het waterige oplossingsmedium verklaart, wat tot nu toe een mysterie was. De onderzoekers merken op dat de bevindingen van hun onderzoek sterk wijzen op de noodzaak om water vóór gebruik te neutraliseren wanneer ionische onzuiverheden worden opgesloten door koolstofmaterialen.
Een andere opmerkelijke bijdrage van deze studie is de demonstratie dat het grensvlak van nanomaterialen een nieuw chemisch reactieveld is, dat als leidraad zou kunnen dienen voor verdere experimenten. Alles bij elkaar genomen, tilt dit werk ons begrip van het mechanisme van anionadsorptie door koolstof naar een hoger niveau, en maakt het plaats voor nieuwe koolstofnanobuisjes als efficiënte zuiveraars.
Takahiro Ohkubo et al, Zure laag-versterkte nano-opsluiting van anionen in cilindrische porie van enkelwandige koolstof nanobuis, Journal of Colloid and Interface Science (2022). DOI: 10.1016/j.jcis.2022.09.070
Geleverd door Okayama University