Contamos com a água para matar nossa sede e para irrigar abundantes fazendas. Mas o que você faz quando aquela água outrora pura é poluída com águas residuais de minas de cobre abandonadas?

Uma solução promissora depende de materiais que capturam átomos de metais pesados, como íons de cobre, de águas residuais por meio de um processo de separação denominado adsorção. Mas os produtos de captura de íons de cobre disponíveis no mercado ainda carecem da especificidade química e da capacidade de carga para separar com precisão os metais pesados ​​da água.

Agora, uma equipe de cientistas liderada pelo Laboratório Nacional Lawrence Berkeley do Departamento de Energia (Berkeley Lab) projetou um novo material - chamado ZIOS (zinco imidazol salicilaldoxima) - que tem como alvo e captura íons de cobre de águas residuais com precisão e velocidade sem precedentes. Em um artigo publicado recentemente na revista Nature Communications , os cientistas dizem que a ZIOS oferece à indústria de água e à comunidade de pesquisa o primeiro projeto para uma tecnologia de remediação de água que elimina íons de metais pesados ​​específicos com uma medida de controle em nível atômico que ultrapassa em muito o estado da arte atual.

"ZIOS tem uma alta capacidade de adsorção e a cinética de adsorção de cobre mais rápida de qualquer material conhecido até agora - tudo em um, "disse o autor sênior Jeff Urban, que dirige a Instalação de Nanoestruturas Inorgânicas na Fundição Molecular do Laboratório Berkeley.

Esta pesquisa incorpora o trabalho de assinatura da Molecular Foundry - o design, síntese, e caracterização de materiais que são otimizados em nanoescala (bilionésimos de metro) para novas aplicações sofisticadas na medicina, catálise, energia renovável, e mais.

Por exemplo, Urban concentrou grande parte de sua pesquisa no design de materiais superfinos de matéria dura e macia para uma variedade de aplicações, de dessalinização de água econômica a materiais 2-D de automontagem para aplicações de energia renovável.

"E o que tentamos imitar aqui são as funções sofisticadas desempenhadas pela natureza, "como quando as proteínas que compõem uma célula bacteriana selecionam certos metais para regular o metabolismo celular, disse o autor principal Ngoc Bui, um ex-pesquisador de pós-doutorado na Fundição Molecular do Berkeley Lab, que agora é professor assistente de química, biológico, e engenharia de materiais na Universidade de Oklahoma.

"ZIOS nos ajuda a escolher e remover apenas cobre, um contaminante na água que tem sido associado a doenças e falência de órgãos, sem remover íons desejáveis, como nutrientes ou minerais essenciais, " ela adicionou.

Essa especificidade no nível atômico também pode levar a técnicas de tratamento de água mais acessíveis e auxiliar na recuperação de metais preciosos. "Os sistemas de tratamento de água de hoje são 'tecnologias de separação em massa' - eles puxam todos os solutos, independentemente de seu perigo ou valor, "disse o co-autor Peter Fiske, diretor da National Alliance for Water Innovation (NAWI) e do Water-Energy Resilience Institute (WERRI) no Berkeley Lab. "Altamente seletivo, materiais duráveis ​​que podem capturar traços constituintes específicos sem serem carregados com outros solutos, ou desmoronando com o tempo, será extremamente importante na redução do custo e da energia do tratamento de água. Eles também podem nos permitir 'minerar' águas residuais em busca de metais valiosos ou outros constituintes vestigiais. "

Removendo metais pesados ​​em nível atômico

Urbano, Bui, e os co-autores relatam que os cristais ZIOS são altamente estáveis ​​na água - até 52 dias. E ao contrário de estruturas metal-orgânicas, o novo material tem um bom desempenho em soluções ácidas com a mesma faixa de pH das águas residuais ácidas de mina. Além disso, ZIOS captura seletivamente íons de cobre 30-50 vezes mais rápido do que os adsorventes de cobre de última geração, dizem os pesquisadores.

Esses resultados pegaram Bui de surpresa. "No começo eu pensei que era um erro, porque os cristais ZIOS têm uma área de superfície muito baixa, e de acordo com a sabedoria convencional, um material deve ter uma área de superfície específica alta, como outras famílias de adsorventes, como estruturas metal-orgânicas, ou estruturas aromáticas porosas, ter uma alta capacidade de adsorção e uma cinética de adsorção extremamente rápida, "ela disse." Então eu me perguntei, 'Talvez algo mais dinâmico esteja acontecendo dentro dos cristais.' "

Descobrir, ela recrutou a ajuda do co-autor Hyungmook Kang para realizar simulações de dinâmica molecular na Molecular Foundry. Kang é um estudante de pós-graduação pesquisador no Urban Lab na Berkeley Lab's Molecular Foundry e um Ph.D. estudante do departamento de engenharia mecânica da UC Berkeley.

Os modelos de Kang revelaram que ZIOS, quando imerso em um ambiente aquoso, "funciona como uma esponja, mas de uma forma mais estruturada, "disse Bui." Ao contrário de uma esponja que absorve água e expande sua estrutura em direções aleatórias, ZIOS se expande em direções específicas à medida que adsorve moléculas de água. "

Experimentos de raios-X na fonte de luz avançada do Berkeley Lab revelaram que os minúsculos poros ou nanocanais do material - apenas 2-3 angstroms, o tamanho de uma molécula de água - também se expande quando imerso em água. Esta expansão é desencadeada por uma 'rede de ligações de hidrogênio, 'que é criado conforme ZIOS interage com as moléculas de água circundantes, Bui explicou.

Esta expansão dos nanocanais permite que as moléculas de água que transportam íons de cobre fluam em uma escala maior, durante o qual ocorre uma reação química chamada "ligação de coordenação" entre os íons de cobre e ZIOS.

Experimentos adicionais de raios-X mostraram que ZIOS é altamente seletivo para íons de cobre em um pH abaixo de 3 - uma descoberta significativa, como o pH da drenagem ácida da mina é tipicamente um pH de 4 ou inferior.

Além disso, os pesquisadores disseram que quando a água é removida do material, sua estrutura de rede cristalina se contrai ao seu tamanho original em menos de 1 nanossegundo (bilionésimo de segundo).

O co-autor Robert Kostecki atribuiu o sucesso da equipe à sua abordagem interdisciplinar. “A extração seletiva de elementos e minerais de águas naturais e produzidas é um problema complexo de ciência e tecnologia, "disse ele." Para este estudo, aproveitamos os recursos exclusivos do Berkeley Lab em nanociência, Ciencias ambientais, e tecnologias de energia para transformar uma descoberta de ciências de materiais básicos em uma tecnologia com grande potencial de impacto no mundo real. "Kostecki é o diretor da Divisão de Armazenamento de Energia e Recursos Distribuídos na Área de Tecnologias de Energia do Berkeley Lab, e liderança da área de tópicos de P&D de Materiais e Manufatura na NAWI.

Em seguida, os pesquisadores planejam explorar novos princípios de design para a remoção seletiva de outros poluentes.

"Na ciência da água e na indústria da água, numerosas famílias de materiais foram projetadas para descontaminar águas residuais, mas poucos são projetados para a remoção de metais pesados ​​da drenagem ácida de minas. Esperamos que a ZIOS possa ajudar a mudar isso, "disse Urban.