Energía y medio ambiente

Estos cristales relucientes ofrecen una nueva purificación de agua

Estos cristales relucientes ofrecen una nueva purificación de agua

Cuando se encontraron altos niveles de metales pesados ​​en el agua potable en Flint, Michigan, y Newark, Nueva Jersey, un equipo científico presentó una nueva herramienta poderosa, Cristales brillantes, para limpiar fuentes de agua contaminada. Los cristales relucientes se conocen como marcos de metal-orgánicos luminiscentes (LMOF) que funcionan como una miniatura y sensores reutilizables que atrapan los metales pesados.

La simple combinación de dos partes de hidrógeno y una parte de oxígeno forma el compuesto fundamental de la vida en la Tierra. Con dos tercios de la superficie terrestre cubierta por agua y el 75 por ciento en el cuerpo humano, el agua circula por la tierra transportando, disolviéndose, proporcionando materia orgánica, mientras se lleva el material de desecho. Desde cocinar hasta actividades recreativas como nadar, todo requiere agua.

[Estructura de LMOF-261. Fuente de la imagen: Berkeley Labs]

Al contrario de épocas anteriores, nuestra sociedad desarrollada ha dado un ojo morado a la calidad del agua. Las encarnaciones de los canales de agua naturales como ríos, mares y océanos han sido explotadas y contaminadas. Millones de personas luchan por encontrar un suministro adecuado de agua potable. Las enfermedades transmitidas por el agua siguen siendo una de las principales causas de muerte en todo el mundo.

Las áreas industrializadas masivas, las ciudades obsoletas con regulación del agua, las comunidades agrícolas son más propensas a la contaminación del agua subterránea. Si no se aborda, puede provocar la contaminación del suelo. El agua contaminada puede transmitir enfermedades como la diarrea, el cólera, la disentería, la fiebre tifoidea y la poliomielitis. Se estima que el agua potable contaminada causa 502.000 muertes por diarrea cada año. Según la OMS, para 2025, la mitad de la población mundial vivirá en zonas con escasez de agua.

Dirigidos por investigadores de la Universidad de Rutgers, los científicos utilizaron rayos X intensos en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) para sondear la estructura de cristales diminutos y brillantes que detectan y capturan toxinas de metales pesados ​​como el plomo y el mercurio. La investigación también ayudó a estudiar la unión de los cristales a los metales pesados.

“Esta tecnología podría ser una solución para ahorrar dinero. Otros habían desarrollado MOF para la detección de metales pesados ​​o para su eliminación, pero nadie antes había investigado realmente uno que hiciera ambas cosas ”, dice Jing Li, profesor de química en la Universidad de Rutgers que dirigió la investigación.

El proceso:

Al integrar un ligando de componente químico fluorescente, el LMOF brillará. Sin embargo, durante la interacción con los metales pesados, el brillo de LMOF se apaga. "Cuando el metal se une al ligando fluorescente, la estructura resultante emite fluorescencia", dijo Simon Teat, científico del personal de Berkeley Lab.

Cada uno de los cristales medía aproximadamente 100 micrómetros. Teat estudió cristales individuales de LMOF con rayos X en la fuente de luz avanzada (ALS) del laboratorio. El ALS es una de las pocas fuentes de luz de rayos X de sincrotrón en el mundo que tiene estaciones experimentales dedicadas a la cristalografía química. Bajo la luz de rayos X, el LMOF produce patrones de difracción. Usando estos patrones, Teat utilizó herramientas de software para mapear su estructura tridimensional con resolución atómica.

Una serie isorreticular de LMOF se sintetiza incorporando un fluoróforo molecular fuertemente emisor y colinkers funcionalmente diversos en estructuras basadas en Zn. Las redes porosas tridimensionales de LMOF-261, -262 y -263 representan un nuevo tipo de redes.

Teat notó una estructura tridimensional en forma de cuadrícula que contiene átomos de carbono, hidrógeno, oxígeno, nitrógeno y zinc que enmarcaban canales grandes y abiertos. Estas estructuras de escala atómica permiten que los metales pesados ​​entren en estos canales abiertos y luego se unan químicamente a los MOF. Además, los detalles estructurales también pueden ayudar a diseñar estructuras más especializadas. Debido a la gran superficie del MOF, se pueden adsorber muchos contaminantes.

[Simon Teat, junto con la línea de luz de Advanced Light Source (ALS). Fuente de la imagen: Berkeley Labs]

“Los rayos X intensos producidos en sincrotrones son la mejor manera de mapear la estructura tridimensional de los MOF. Conocer las estructuras cristalinas es uno de los aspectos más importantes de nuestra investigación. Los necesita para realizar caracterizaciones posteriores y comprender las propiedades de estos materiales ”, dijo Jing Li.

Resultados de la prueba:

Según los resultados recientes publicados en Applied Materials and Interfaces, se probó una mezcla de metales pesados ​​y ligeros con un tipo de LMOF; en un lapso de media hora, podría absorber selectivamente más del 99 por ciento del mercurio de la mezcla. El equipo informó que en este proceso de detección y captura de metales pesados ​​tóxicos, ningún otro MOF ha funcionado mejor.

Además, los investigadores encontraron que los LMOF se unen fuertemente al mercurio y al plomo, pero se unen débilmente a metales más ligeros como el magnesio y el calcio. Sin embargo, estos metales más ligeros no presentan los mismos peligros. “Este rasgo selectivo, basado en la composición molecular de los LMOF, es importante. Necesitamos tener un MOF que sea selectivo y solo tome las especies dañinas. Estos son resultados prometedores, pero tenemos un largo camino por recorrer ”, dijo Li.

Además, los investigadores encontraron que antes de la degradación del rendimiento de LMOF, podían recolectar, limpiar y luego reutilizar los LMOF para tres ciclos de purificación tóxica.

El futuro:

Li declaró que una mayor investigación y desarrollo podría explorar LMOF más duraderos y de menor costo que podrían durar más ciclos, y los investigadores también podrían perseguir el desarrollo de filtros de agua con una película sólida mezclando los LMOF con polímeros. “Estos filtros podrían usarse para capturar a mayor escala. Nos gustaría continuar con esta investigación ”, dijo.

Con los fondos suficientes, al equipo científico le gustaría probar el rendimiento en fuentes de agua realmente contaminadas. Además, el equipo utilizó ALS de Berkeley Lab para determinar las estructuras cristalinas de los MOF para una amplia variedad de otras aplicaciones, como la detección de explosivos altos, la detección de toxinas alimentarias y los nuevos tipos de componentes emisores de luz LED (conocidos como fósforos). ) que incorporan materiales más baratos y amplios.

Investigadores de la Universidad de Texas en Dallas y la Universidad Rider también participaron en esta investigación. El trabajo fue apoyado por la Oficina de Ciencias del DOE.

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Vía Berkeley Lab

Imagen destacada cortesía de la Universidad de Rutgers

Escrito por Alekhya Sai Punnamaraju

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