Tembaga untuk Bahan Tambang

 

Apa yang Anda lakukan ketika air yang dulunya murni tercemar oleh air limbah dari tambang tembaga yang ditinggalkan?

Solusi yang menjanjikan didasarkan pada bahan yang menangkap atom logam berat, seperti ion tembaga, dari air limbah melalui proses pemisahan yang disebut adsorpsi. Tetapi produk penangkap ion tembaga yang tersedia secara komersial masih kekurangan kekhususan kimia dan daya dukung untuk memisahkan logam berat dari air secara akurat.

Sekarang, tim ilmuwan yang dipimpin oleh Laboratorium Nasional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) Departemen Energi telah merancang bahan baru - yang disebut ZIOS (zinc imidazole salicyllaldoxime) - yang menargetkan ion tembaga dari air limbah yang belum pernah terjadi sebelumnya. Dalam sebuah artikel yang baru-baru ini diterbitkan di jurnal Nature Communications, para ilmuwan mengatakan ZIOS menawarkan kepada industri air dan komunitas penelitian cetak biru pertama untuk teknologi remediasi air yang menghilangkan ion logam berat tertentu dengan ukuran kontrol. keadaan seni.

"ZIOS memiliki kapasitas adsorpsi tinggi dan kinetika adsorpsi tembaga tercepat dari bahan apa pun yang diketahui hingga saat ini - semuanya digulung menjadi satu," kata penulis senior Jeff Urban, yang mengepalai Fasilitas Struktur Nano Anorganik di Molecular Foundry di Berkeley Lab.

Penelitian ini mewujudkan karya khas Molecular Foundry: desain, sintesis, dan karakterisasi material skala nano (sepersejuta meter) yang dioptimalkan untuk aplikasi baru yang canggih dalam kedokteran, katalisis, energi terbarukan, dan banyak lagi.

Misalnya, Urban telah memfokuskan sebagian besar penelitiannya pada perancangan bahan super tipis baik dari bahan keras maupun lunak untuk berbagai aplikasi, mulai dari desalinasi air yang murah hingga bahan 2D yang dapat dirakit sendiri untuk aplikasi energi terbarukan.

"Dan apa yang kami coba tiru di sini adalah fungsi canggih yang dilakukan oleh alam," seperti ketika protein yang membentuk sel bakteri memilih logam tertentu untuk mengatur metabolisme sel, kata penulis utama Ngoc Bui, mantan peneliti. Berkeley Lab Molecular Foundry, yang sekarang menjadi asisten profesor teknik kimia, biologi, dan material di University of Oklahoma.

Spesifisitas atom seperti itu juga dapat mengarah pada teknik pengolahan air yang lebih hemat biaya dan mendukung pemulihan logam mulia. "Sistem pengolahan air saat ini adalah 'teknologi pemisahan massal' - mereka mengekstrak semua zat terlarut, terlepas dari risiko atau nilainya," kata rekan penulis Peter Fiske, direktur National Alliance for Water Innovation (NAWI) dan Water-Energy Resilience. Institute (WERRI) di Berkeley Lab."Bahan yang sangat selektif dan tahan lama yang mampu mengumpulkan elemen jejak tertentu tanpa menyumbat dengan zat terlarut lain atau terdegradasi dari waktu ke waktu akan sangat penting untuk mengurangi biaya dan energi pengolahan air." Ini juga memberi kita kemampuan untuk "mengekstraksi" air limbah untuk logam mulia dan elemen jejak lainnya.

Memulung logam berat pada tingkat atom atomic

Urban, Bui dan rekan penulis melaporkan bahwa kristal ZIOS sangat stabil dalam air hingga 52 hari. Dan tidak seperti struktur logam-organik, material baru ini bekerja dengan baik dalam larutan asam dengan kisaran pH yang sama dengan air limbah asam dari tambang. 

Model Kang mengungkapkan bahwa ZIOS, ketika direndam dalam lingkungan berair, "bekerja seperti spons, tetapi dengan cara yang lebih terstruktur," kata Bui. 

Eksperimen sinar-X di Advanced Light Source Berkeley Lab mengungkapkan bahwa bahkan pori-pori kecil atau saluran nano material - hanya 2-3 angstrom, seukuran molekul air - juga mengembang ketika terendam air. . Ekspansi ini dipicu oleh "jaringan ikatan hidrogen," yang dibuat ketika ZIOS berinteraksi dengan molekul air di sekitarnya, Bui menjelaskan.

Perluasan saluran nano ini memungkinkan molekul air yang membawa ion tembaga mengalir dalam skala yang lebih besar, di mana reaksi kimia yang disebut "ikatan koordinasi" terjadi antara ion tembaga dan ZIOS.

Eksperimen sinar-X lebih lanjut menunjukkan bahwa ZIOS sangat selektif untuk ion tembaga pada pH di bawah 3 - temuan yang signifikan, karena pH drainase asam tambang biasanya pH 4 atau di bawah.

Lebih lanjut, para peneliti mengatakan bahwa ketika air dikeluarkan dari material, struktur kisi kristalnya menyusut ke ukuran aslinya dalam waktu kurang dari 1 nanodetik (sepersejuta detik).

Rekan penulis Robert Kostecki menghubungkan kesuksesan tim dengan pendekatan interdisipliner mereka. "Ekstraksi selektif unsur dan mineral dari air alami dan air produksi merupakan masalah ilmiah dan teknologi yang kompleks," katanya. 

Kostecki adalah Direktur Penyimpanan Energi dan Sumber Daya Terdistribusi di area Teknologi Energi di Berkeley Lab dan pemimpin area tematik R&D pada material dan manufaktur di NAWI.

Para peneliti berencana untuk mengeksplorasi prinsip-prinsip desain baru untuk menghilangkan polutan lainnya secara selektif.