17.08.2022 - Drexel University

Quecksilber auf der Spur: MXen-Material kann Kontamination entgegenwirken

Forscher zeigen, dass carboxyliertes MXen quecksilberverseuchtes Wasser effizient behandeln kann

Forscher schätzen, dass sich die Quecksilberemissionen in die Atmosphäre seit der industriellen Revolution vervierfacht haben. Das Schwermetall, das bei der Verbrennung fossiler Brennstoffe und der Entsorgung industrieller und medizinischer Abfälle entsteht, hat sich in Gewässern so hartnäckig festgesetzt, dass die US-Lebensmittel- und Arzneimittelbehörde vorschlägt, dass etwa ein halbes Dutzend Fischarten so stark mit Quecksilber belastet sind, dass der Verzehr vermieden werden sollte. Forscher arbeiten seit vielen Jahren an der Entwicklung von Systemen zur Entfernung von Quecksilber aus dem Wasser. Doch ein Team der Drexel University könnte genau das richtige Material gefunden haben, um das flüchtige Quecksilber - selbst in geringen Mengen - effizient aufzufangen und verseuchte Gewässer zu reinigen.

Unter den zahlreichen Methoden zur Entfernung von Quecksilber aus Wasser ist die Adsorption - der Prozess der chemischen Anziehung und Entfernung von Verunreinigungen - aufgrund ihrer relativen Einfachheit, Effizienz und geringen Kosten die vielversprechendste Technologie, so Drexel College of Engineering Professor Masoud Soroush, PhD, dessen Labor eine neue Adsorptionstechnologie entwickelt.

"Moderne Adsorptionsmittel wie Harze, mesoporöses Siliziumdioxid, Chalkogenide und mesoporöse Kohlenstoffe haben einen höheren Wirkungsgrad als herkömmliche Adsorptionsmittel wie Aktivkohle, Tone und Zeolithe, die eine geringe Affinität zu Quecksilber und niedrige Kapazitäten aufweisen", so Soroush. "Das Problem bei all diesen Materialien ist jedoch, dass ihre Quecksilber-Entfernungseffizienz immer noch gering ist und sie nicht in der Lage sind, den Quecksilbergehalt auf weniger als 1 Teil pro Milliarde zu senken."

Soroushs Forscherteam von der Drexel und der Temple University hat die Synthese und Verwendung eines oberflächenmodifizierten Titancarbid-MXens zur Quecksilberentfernung untersucht. MXene sind eine Familie von zweidimensionalen Nanomaterialien, die vor mehr als einem Jahrzehnt in Drexel entdeckt wurde und viele außergewöhnliche Eigenschaften gezeigt hat. Das Team berichtete kürzlich über seine Ergebnisse im Journal of Hazardous Materials.

Die Vorteile von Titancarbid-MXen bei der Entfernung von Quecksilberionen liegen laut Soroush in der negativ geladenen Oberfläche sowie in der Abstimmbarkeit und Vielseitigkeit der Oberflächenchemie, was MXen für die Entfernung von Schwermetallionen attraktiv macht. Aufgrund dieser Eigenschaften und der geschichteten Struktur des MXens haben Materialien auf der Basis von Titancarbid-MXen hervorragende Leistungen bei der Gastrennung, der Entfernung von Salz aus Wasser, der Abtötung von Bakterien und der Nierendialyse gezeigt.

"Wir wussten, dass 2D-Materialien wie Graphenoxid und Molybdändisulfid aufgrund ihrer chemischen Funktionalitäten/Strukturen, die Metallionen anziehen, bereits zuvor bei der Entfernung von Schwermetallen aus Abwässern durch Adsorption wirksam waren", so Soroush. "MXene sind eine ähnliche Art von Materialien, aber wir schätzten, dass Titancarbid-MXene ein viel größeres Aufnahmevermögen als diese anderen Materialien haben könnten - was sie zu einem besseren Sorptionsmittel für Quecksilberionen macht."

Soroushs Team musste jedoch eine wichtige Anpassung an die chemische Struktur von Titancarbid-MXen vornehmen, um das Material für eine seiner anspruchsvollsten Aufgaben weiter zu verbessern.

"Quecksilber wird nicht umsonst Quecksilber genannt - wenn es einmal in die Umwelt gelangt ist, sei es durch die Verbrennung fossiler Brennstoffe, den Bergbau oder die Müllverbrennung, ist es ziemlich flüchtig", so Soroush. "Es ändert schnell seine chemische Form, was seine Toxizität erhöht und es enorm schwierig macht, es aus den Gewässern zu entfernen, in denen es sich unweigerlich ansammelt. Um die Quecksilberionen noch schneller anzuziehen, mussten wir die Oberfläche der MXene-Flocken aus Titankarbid verändern."

Es besteht eine natürliche Anziehungskraft zwischen Quecksilberionen und der Oberfläche von Titancarbid-MXen, da Metallionen wie Quecksilber positiv geladen sind und die Oberfläche der MXen-Flocken negativ geladen ist. Um jedoch Quecksilberionen stärker aus dem Wasser zu ziehen, musste das Team diese Anziehungskraft verstärken. Zu diesem Zweck behandelten sie die MXen-Flocken mit Chloressigsäure - ein Prozess, der als Carboxylierung bezeichnet wird -, der das MXen mit hochmobilen, starken Carbonsäuregruppen versieht und die negative Oberflächenladung der MXen-Flocken erhöht, was die Fähigkeit der Flocken verbessert, Quecksilberionen anzuziehen und zurückzuhalten.

Das Ergebnis war ein neues Sorptionsmaterial - carboxyliertes Titancarbid-MXen, das nach Angaben der Forscher eine schnellere Aufnahme von Quecksilberionen und eine höhere Kapazität als alle handelsüblichen Adsorptionsmittel aufweist.

"Carboxyliertes Titancarbid-MXen erwies sich als weitaus besser als die derzeit für die Entfernung von Quecksilberionen verwendeten Adsorptionsmittel", so Soroush. "Innerhalb einer Minute konnte es 95 % der Quecksilberionen aus einer Wasserprobe entfernen, die mit einer Konzentration von 50 Teilen pro Million verunreinigt war, was bedeutet, dass es effektiv und effizient genug für den Einsatz in der Abwasseraufbereitung in großem Maßstab sein könnte".

Innerhalb von fünf Minuten entfernten Titankarbid-MXen und carboxyliertes Titankarbid-MXen 98 % der Quecksilberionen aus einer 10-Milliliter-Wasserprobe, die mit Quecksilberionen in Konzentrationen zwischen 1 und 1000 Teilen pro Million verunreinigt war.

"Dies deutet darauf hin, dass sowohl [MXen] als auch [carboxyliertes MXen] aufgrund ihrer besonderen strukturellen Eigenschaften und der hohen Dichte an funktionellen Oberflächengruppen wirksame Adsorptionsmittel zur Entfernung von Quecksilberionen aus Abwasser sind", schreibt das Team. "Im Allgemeinen verläuft der Adsorptionsmechanismus von Metallionen in zwei Schritten: Zunächst werden die Ionen schnell an den verfügbaren aktiven Stellen adsorbiert, und der Prozess verläuft zügig. Die Adsorption verläuft langsamer, wenn sich die Adsorptionsstellen füllen und die Ionen in die Poren und Zwischenschichten diffundieren müssen."

Die Entwicklung ist von großer Bedeutung im Kampf gegen die Quecksilberverschmutzung, die so weit fortgeschritten ist, dass die Gesundheitsbehörden empfehlen, bestimmte Fischarten überhaupt nicht mehr zu essen. Die Bemühungen, das durch die Verbrennung fossiler Brennstoffe freigesetzte Quecksilber einzudämmen, haben sich als ebenso schwierig erwiesen wie die Verringerung der Abhängigkeit von diesen Brennstoffen selbst.

Eine Abkehr von den umweltschädlichen Energiequellen ist zwar die ultimative Lösung, um die Freisetzung von Schwermetallen wie Quecksilber in die Umwelt zu verhindern, doch Soroush weist darauf hin, dass dieser Durchbruch neue Möglichkeiten zur Beseitigung der bereits entstandenen Verschmutzung eröffnen könnte.

"Wir stellen uns vor, dass die Verwendung der carboxylierten MXen-Technologie alle Schwermetallionen entfernen kann", sagte er. "Neben der Verwendung des carboxylierten MXens als Sorptionsmittel besteht eine weitere Möglichkeit darin, mit dem carboxylierten MXen beschichtete oder eingebettete Filter herzustellen."

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