الطاقة والبيئة

تقدم هذه البلورات المتلألئة تنقية جديدة للمياه

تقدم هذه البلورات المتلألئة تنقية جديدة للمياه


عندما تم العثور على مستويات عالية من المعادن الثقيلة في مياه الشرب في فلينت ، ميشيغان ، ونيوارك ، نيوجيرسي ، قدم فريق علمي أداة قوية جديدة ، بلورات متوهجة ، في تنظيف مصادر المياه الملوثة. تُعرف البلورات اللامعة باسم الأطر العضوية المعدنية المضيئة (LMOFs) والتي تعمل مثل أجهزة استشعار مصغرة وقابلة لإعادة الاستخدام ، تحبس المعادن الثقيلة.

يشكل المزيج البسيط المكون من جزأين من الهيدروجين وجزء واحد من الأكسجين المركب التأسيسي للحياة على الأرض. مع تغطية ثلثي سطح الأرض بالمياه و 75 في المائة في جسم الإنسان ، يدور الماء عبر الأرض ناقلاً ، ويذوب ، ويوفر المواد العضوية ، بينما ينقل النفايات. من الطهي إلى الأنشطة الترفيهية مثل السباحة ، كل شيء يتطلب الماء.

[هيكل LMOF-261. مصدر الصورة: Berkeley Labs]

على عكس العهود السابقة ، فإن مجتمعنا المتقدم قد أعطى نظرة سوداء لنوعية المياه. تجسيدات قنوات المياه الطبيعية مثل الأنهار والبحار والمحيطات تم استغلالها وتلويثها. يكافح الملايين من أجل العثور على إمدادات كافية من مياه الشرب الآمنة. لا تزال الأمراض التي تنقلها المياه أحد الأسباب الرئيسية للوفاة في جميع أنحاء العالم.

المناطق الصناعية الضخمة والمدن التي عفا عليها الزمن والتي تنظم المياه والمجتمعات الزراعية أكثر عرضة لتلوث المياه الجوفية. إذا لم تتم معالجته ، يمكن أن يؤدي إلى تلوث التربة. يمكن أن تنقل المياه الملوثة أمراضًا مثل الإسهال والكوليرا والدوسنتاريا والتيفوئيد وشلل الأطفال. تشير التقديرات إلى أن مياه الشرب الملوثة تتسبب في وفاة 502.000 حالة وفاة بسبب الإسهال كل عام. وفقًا لمنظمة الصحة العالمية ، بحلول عام 2025 ، سيعيش نصف سكان العالم في مناطق تعاني من الإجهاد المائي.

بقيادة باحثين من جامعة روتجرز ، استخدم العلماء أشعة سينية مكثفة في مختبر لورانس بيركلي الوطني (مختبر بيركلي) لفحص بنية البلورات المتوهجة الدقيقة التي تكتشف وتلتقط سموم المعادن الثقيلة مثل الرصاص والزئبق. ساعد البحث أيضًا في دراسة ارتباط البلورات بالمعادن الثقيلة.

"يمكن أن تكون هذه التكنولوجيا حلاً لتوفير المال. قال جينغ لي ، أستاذ الكيمياء في جامعة روتجرز ، الذي قاد البحث ، "لقد طور آخرون الأطر العضوية المعدنية إما للكشف عن المعادن الثقيلة أو إزالتها ، ولكن لم يقم أحد من قبل بالتحقيق في أحدهما فعلاً.

العملية:

من خلال دمج مكون كيميائي فلوري Ligand ، سوف يتوهج LMOF. ومع ذلك ، أثناء التفاعل مع المعادن الثقيلة ، يتوقف توهج LMOF. قال سايمون تيت ، عالم في مختبر بيركلي: "عندما يرتبط المعدن بالرابط الفلوري ، يتألق الإطار الناتج".

كان قياس البلورات حوالي 100 ميكرون. درست الحلمة بلورات LMOF الفردية بالأشعة السينية في مصدر الضوء المتقدم (ALS) بالمختبر. يعد ALS أحد مصادر ضوء الأشعة السينية السنكروترونية القليلة في العالم والتي خصصت محطات تجريبية لعلم البلورات الكيميائي. تحت ضوء الأشعة السينية ، ينتج LMOF أنماط الحيود. باستخدام هذه الأنماط ، استخدمت Teat أدوات برمجية لتعيين هيكلها ثلاثي الأبعاد بدقة ذرية.

يتم تصنيع سلسلة isoretic من LMOFs من خلال دمج فلوروفور جزيئي انبعاث بقوة و colinkers متنوعة وظيفيا في الهياكل القائمة على Zn. تمثل الشبكات المسامية ثلاثية الأبعاد لـ LMOF-261 و -262 و -263 نوعًا جديدًا من الشبكات.

لاحظت الحلمة شبكة تشبه الهيكل ثلاثي الأبعاد الذي يحتوي على ذرات الكربون والهيدروجين والأكسجين والنيتروجين والزنك التي تؤطر قنوات كبيرة ومفتوحة. تسمح هذه الهياكل ذات الحجم الذري للمعادن الثقيلة بدخول هذه القنوات المفتوحة ثم الارتباط بالأطر العضوية المعدنية كيميائيًا. بالإضافة إلى ذلك ، يمكن أن تساعد التفاصيل الهيكلية أيضًا في تصميم هياكل أكثر تخصصًا. يمكن امتصاص الكثير من الملوثات بسبب مساحة سطح الإطار المعدني الغزير.

[Simon Teat ، جنبًا إلى جنب مع Beamline لمصدر الضوء المتقدم (ALS). مصدر الصورة: Berkeley Labs]

"الأشعة السينية المكثفة التي يتم إنتاجها في السنكروترونات هي أفضل طريقة لرسم خريطة للبنية ثلاثية الأبعاد للأطر العضوية المعدنية. تعد معرفة الهياكل البلورية أحد أهم جوانب بحثنا. قال جينغ لي إنك بحاجة إلى هؤلاء من أجل إجراء التوصيفات اللاحقة وفهم خصائص هذه المواد.

نتائج الإختبار:

وفقًا للنتائج الأخيرة المنشورة في Applied Materials and Interfaces ، تم اختبار مزيج من المعادن الثقيلة والخفيفة بنوع من LMOF ؛ في غضون نصف ساعة ، يمكن أن يمتص بشكل انتقائي أكثر من 99 في المائة من الزئبق من الخليط. أفاد الفريق أنه في عملية الكشف عن المعادن الثقيلة السامة والتقاطها ، لم يكن أداء الأطر العضوية المعدنية الأخرى أفضل.

بالإضافة إلى ذلك ، وجد الباحثون أن العناصر LMOFs ترتبط بقوة بالزئبق والرصاص ، لكنها ترتبط بشكل ضعيف بالمعادن الأخف مثل المغنيسيوم والكالسيوم. ومع ذلك ، فإن هذه المعادن الأخف ليس لها نفس المخاطر. "هذه السمة الانتقائية ، القائمة على التركيب الجزيئي لل LMOFs ، مهمة. نحتاج إلى أن يكون لدينا إطار عضوي عضوي انتقائي ولن يأخذ سوى الأنواع الضارة. قال لي: "هذه نتائج واعدة ، لكن ما زال أمامنا طريق طويل لنقطعه".

بالإضافة إلى ذلك ، وجد الباحثون أنه قبل تخفيض أداء LMOF ، يمكنهم جمع وتنظيف وإعادة استخدام LMOFs لثلاث دورات من التنقية السامة.

المستقبل:

صرح لي أن المزيد من البحث والتطوير يمكن أن يستكشف LMOFs منخفضة التكلفة وأكثر متانة والتي قد تستمر لمزيد من الدورات ، ويمكن للباحثين أيضًا متابعة تطوير مرشحات المياه بغشاء صلب عن طريق مزج LMOFs مع البوليمرات. "يمكن استخدام هذه المرشحات للالتقاط على نطاق أوسع. نود أن نواصل هذا البحث ، "قالت.

مع التمويل الكافي ، يود الفريق العلمي اختبار الأداء على مصادر المياه الملوثة بالفعل. بالإضافة إلى ذلك ، استخدم فريق Berkeley Lab's ALS لتحديد الهياكل البلورية للأطر العضوية المعدنية لمجموعة متنوعة من التطبيقات الأخرى ، مثل الكشف عن المواد شديدة الانفجار ، واكتشاف السموم الغذائية ، وأنواع جديدة من المكونات الباعثة للضوء (المعروفة باسم الفوسفور). ) التي تشتمل على مواد أرخص ووفرة.

كما شارك في هذا البحث باحثون من جامعة تكساس في دالاس وجامعة رايدر. تم دعم العمل من قبل مكتب العلوم التابع لوزارة الطاقة.

راجع أيضًا: الماء يتجمد بدلاً من الغليان في أنابيب الكربون النانوية

عبر مختبر بيركلي

صورة مميزة مقدمة من جامعة روتجرز

بقلم Alekhya Sai Punnamaraju


شاهد الفيديو: غرفة الأخبار. تكثيف إجراءات الوقاية في محطة الفسطاط للمياه