Un nuevo material inspirado en la naturaleza diseñado por Berkeley Lab elimina el cobre de las aguas residuales con precisión atómica
Dependemos del agua para saciar nuestra sed y para regar abundantes tierras de cultivo. Pero, ¿Qué haces cuando esa agua que alguna vez fue prístina se contamina con aguas residuales de minas de cobre abandonadas ?
Una solución prometedora se basa en materiales que capturan átomos de metales pesados, como iones de cobre, de las aguas residuales a través de un proceso de separación llamado adsorción. Sin embargo, los productos de captura de iones de cobre disponibles comercialmente todavía carecen de la especificidad química y la capacidad de carga para separar con precisión los metales pesados del agua.
Ahora, un equipo de científicos dirigido por el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) del Departamento de Energía ha diseñado un nuevo material cristalino, llamado ZIOS (zinc imidazol salicilaldoxima), que apunta y atrapa los iones de cobre de las aguas residuales con una precisión y velocidad sin precedentes. En un artículo publicado recientemente en la revista Nature Communications, los científicos dicen que ZIOS ofrece a la industria del agua y a la comunidad de investigación el primer plan para una tecnología de remediación de agua que elimina iones de metales pesados específicos con un control a nivel atómico, que supera con creces el estado actual de la tecnología actual.
"ZIOS tiene una alta capacidad de adsorción y la cinética de adsorción de cobre más rápida de cualquier material conocido hasta ahora, todo en uno", dijo el autor principal Jeff Urban , quien dirige la instalación de nanoestructuras inorgánicas en el laboratorio Molecular Foundry de Berkeley Lab.
Esta investigación encarna el trabajo característico del laboratorio Molecular Foundry: el diseño, la síntesis y la caracterización de materiales optimizados a nanoescala (mil millonésimas de metro) para aplicaciones nuevas y sofisticadas en medicina, catálisis, energía renovable y más.
Por ejemplo, Urban ha centrado gran parte de su investigación en el diseño de materiales superfinos tanto de materia dura como blanda para una variedad de aplicaciones, desde la desalación de agua rentable hasta materiales 2D autoensamblables para aplicaciones de energía renovable.
"Y lo que intentamos imitar aquí son las funciones sofisticadas que realiza la naturaleza", como cuando las proteínas que componen una célula bacteriana seleccionan ciertos metales para regular el metabolismo celular, dijo el autor principal Ngoc Bui, ex investigador postdoctoral en el laboratorio de Berkeley Lab quien ahora es profesor asistente de ingeniería química, biológica y de materiales en la Universidad de Oklahoma.
“ZIOS nos ayuda a elegir y eliminar solo el cobre, un contaminante del agua que se ha relacionado con enfermedades y fallas orgánicas, sin eliminar los iones deseables, como los nutrientes o los minerales esenciales”, agregó.
Tal especificidad a nivel atómico también podría conducir a técnicas de tratamiento de agua más asequibles y ayudar a la recuperación de metales preciosos. "Los sistemas de tratamiento de agua de hoy son 'tecnologías de separación a granel': extraen todos los solutos, independientemente de su peligro o valor", dijo el coautor Peter Fiske , director de la Alianza Nacional para la Innovación del Agua (NAWI ) y la Resiliencia Agua-Energía Institute (WERRI) en Berkeley Lab. “Los materiales duraderos y altamente selectivos que pueden capturar trazas de constituyentes específicos sin que se carguen con otros solutos o se desmoronen con el tiempo, serán de vital importancia para reducir el costo y la energía del tratamiento del agua. También pueden permitirnos 'extraer' aguas residuales en busca de metales valiosos u otros componentes traza ”.
Recolección de metales pesados a nivel atómico
Urban, Bui y sus coautores informan que los cristales de ZIOS son muy estables en el agua, hasta 52 días. Y a diferencia de las estructuras organometálicas, el nuevo material se comporta bien en soluciones ácidas con el mismo rango de pH de las aguas residuales de minas ácidas. Además, ZIOS captura selectivamente iones de cobre entre 30 y 50 veces más rápido que los adsorbentes de cobre de última generación, dicen los investigadores.
Estos resultados tomaron a Bui por sorpresa. “Al principio pensé que era un error, porque los cristales ZIOS tienen una superficie muy baja y, según la sabiduría convencional, un material debe tener una superficie específica alta, como otras familias de adsorbentes, como las estructuras organometálicas, o armazones aromáticos porosos, para tener una alta capacidad de adsorción y una cinética de adsorción extremadamente rápida ”, dijo. “Así que me pregunté, 'Quizás algo más dinámico está sucediendo dentro de los cristales'”.
Para averiguarlo, reclutó la ayuda del coautor principal Hyungmook Kang para realizar simulaciones de dinámica molecular. Kang es un estudiante de posgrado investigador en el Laboratorio Urbano de Molecular foundry de Berkeley Lab y un Ph.D. estudiante del departamento de ingeniería mecánica de UC Berkeley.
Los modelos de Kang revelaron que ZIOS, cuando se sumerge en un ambiente acuoso, "funciona como una esponja, pero de una manera más estructurada", dijo Bui. "A diferencia de una esponja que absorbe agua y expande su estructura en direcciones aleatorias, ZIOS se expande en direcciones específicas a medida que adsorbe moléculas de agua".
Los experimentos de rayos X en la fuente de luz avanzada de Berkeley Lab revelaron que los diminutos poros o nanocanales del material, solo 2-3 angstroms, el tamaño de una molécula de agua, también se expanden cuando se sumergen en agua. Esta expansión es provocada por una "red de enlaces de hidrógeno", que se crea cuando ZIOS interactúa con las moléculas de agua circundantes, explicó Bui.
Esta expansión de los poros permite que las moléculas de agua que transportan iones de cobre fluyan a mayor escala, durante la cual tiene lugar una reacción química llamada "enlace de coordinación" entre los iones de cobre y ZIOS.
Experimentos adicionales de rayos X mostraron que ZIOS es altamente selectivo para los iones de cobre a un pH por debajo de 3, un hallazgo significativo, ya que el pH del drenaje ácido de la mina es típicamente de 4 o menos.
Además, los investigadores dijeron que cuando se elimina el agua del material, su estructura de red cristalina se contrae a su tamaño original en menos de 1 nanosegundo (mil millonésimas de segundo).
El coautor Robert Kostecki atribuyó el éxito del equipo a su enfoque interdisciplinario. “La extracción selectiva de elementos y minerales de las aguas naturales y producidas es un problema científico y tecnológico complejo”, dijo. “Para este estudio, aprovechamos las capacidades únicas de Berkeley Lab en nanociencia, ciencias ambientales y tecnologías energéticas para transformar un descubrimiento de ciencias de materiales básicos en una tecnología que tiene un gran potencial de impacto en el mundo real”. Kostecki es el director de la División de Recursos Distribuidos y Almacenamiento de Energía en el Área de Tecnologías Energéticas de Berkeley Lab, y el líder del área temática de I + D de Materiales y Manufactura en NAWI.
A continuación, los investigadores planean explorar nuevos principios de diseño para la eliminación selectiva de otros contaminantes.
“En la ciencia del agua y la industria del agua, se han diseñado numerosas familias de materiales para descontaminar las aguas residuales, pero pocas están diseñadas para la remoción de metales pesados del drenaje ácido de la mina. Esperamos que ZIOS pueda ayudar a cambiar eso ”, dijo Urban.
Más información: Ngoc T. Bui et al. A nature-inspired hydrogen-bonded supramolecular complex for selective copper ion removal from water. Nature communications (2020). https://doi.org/10.1038/s41467-020-17757-6
Nota original: Berkeley Lab