Nous comptons sur l'eau pour étancher notre soif et pour irriguer des terres agricoles abondantes. Mais que faire quand cette eau autrefois vierge est polluée par les eaux usées des mines de cuivre abandonnées ?

Une solution prometteuse repose sur des matériaux qui capturent les atomes de métaux lourds, comme les ions cuivre, des eaux usées par un processus de séparation appelé adsorption. Mais les produits de capture d'ions cuivre disponibles dans le commerce n'ont toujours pas la spécificité chimique et la capacité de charge pour séparer avec précision les métaux lourds de l'eau.

Maintenant, une équipe de scientifiques dirigée par le Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) du ministère de l'Énergie a conçu un nouveau matériau, appelé ZIOS (zinc imidazole salicylaldoxime), qui cible et piège les ions cuivre des eaux usées avec une précision et une vitesse sans précédent. Dans un article récemment publié dans la revue Communication Nature , les scientifiques disent que ZIOS offre à l'industrie de l'eau et à la communauté de la recherche le premier modèle pour une technologie d'assainissement de l'eau qui piège des ions de métaux lourds spécifiques avec une mesure de contrôle au niveau atomique qui dépasse de loin l'état de l'art actuel.

"ZIOS a une capacité d'adsorption élevée et la cinétique d'adsorption de cuivre la plus rapide de tous les matériaux connus à ce jour, tout en un, " a déclaré l'auteur principal Jeff Urban , qui dirige l'installation de nanostructures inorganiques dans la fonderie moléculaire de Berkeley Lab.

Cette recherche incarne le travail de signature de la Molecular Foundry—la conception, synthèse, et la caractérisation de matériaux optimisés à l'échelle nanométrique (milliardièmes de mètre) pour de nouvelles applications sophistiquées en médecine, catalyse, énergie renouvelable, et plus.

Par exemple, Urban a concentré une grande partie de ses recherches sur la conception de matériaux ultrafins à partir de matières dures et molles pour une variété d'applications, du dessalement économique de l'eau aux matériaux 2-D auto-assemblés pour les applications d'énergie renouvelable.

"Et ce que nous avons essayé d'imiter ici, ce sont les fonctions sophistiquées remplies par la nature, " comme lorsque les protéines qui composent une cellule bactérienne sélectionnent certains métaux pour réguler le métabolisme cellulaire, a déclaré l'auteur principal Ngoc Bui, un ancien chercheur postdoctoral à la fonderie moléculaire de Berkeley Lab qui est maintenant professeur adjoint en chimie, biologique, et l'ingénierie des matériaux à l'Université de l'Oklahoma.

"ZIOS nous aide à choisir et retirer uniquement le cuivre, un contaminant dans l'eau qui a été lié à la maladie et à la défaillance d'organes, sans éliminer les ions désirables, tels que des nutriments ou des minéraux essentiels, " elle a ajouté.

Une telle spécificité au niveau atomique pourrait également conduire à des techniques de traitement de l'eau plus abordables et faciliter la récupération des métaux précieux. « Les systèmes de traitement de l'eau d'aujourd'hui sont des « technologies de séparation en vrac » - ils extraient tous les solutés, indépendamment de leur danger ou de leur valeur, " a déclaré le co-auteur Peter Fiske, directeur de la National Alliance for Water Innovation (NAWI) et du Water-Energy Resilience Institute (WERRI) au Berkeley Lab. "Très sélectifs, des matériaux durables qui peuvent capturer des constituants traces spécifiques sans se charger d'autres solutés, ou s'effondrer avec le temps, sera d'une importance cruciale pour réduire le coût et l'énergie du traitement de l'eau. Ils peuvent également nous permettre d'« extraire » les eaux usées à la recherche de métaux précieux ou d'autres constituants à l'état de traces. »

Piégeage des métaux lourds au niveau atomique

Urbain, Bui, et les co-auteurs rapportent que les cristaux de ZIOS sont très stables dans l'eau, jusqu'à 52 jours. Et contrairement aux charpentes métallo-organiques, le nouveau matériau fonctionne bien dans les solutions acides avec la même plage de pH que les eaux usées acides des mines. En outre, ZIOS capture sélectivement les ions cuivre 30 à 50 fois plus rapidement que les adsorbants cuivre à la pointe de la technologie, disent les chercheurs.

Ces résultats ont pris Bui par surprise. "Au début, j'ai pensé que c'était une erreur, car les cristaux ZIOS ont une très faible surface spécifique, et selon la sagesse conventionnelle, un matériau doit avoir une surface spécifique élevée, comme les autres familles d'adsorbants, comme les charpentes métallo-organiques, ou charpentes aromatiques poreuses, avoir une capacité d'adsorption élevée et une cinétique d'adsorption extrêmement rapide, " dit-elle. " Alors je me suis demandé, 'Peut-être qu'il se passe quelque chose de plus dynamique à l'intérieur des cristaux.'"

Découvrir, elle a recruté l'aide du co-auteur principal Hyungmook Kang pour effectuer des simulations de dynamique moléculaire à la fonderie moléculaire. Kang est un étudiant chercheur diplômé du laboratoire urbain de la fonderie moléculaire de Berkeley Lab et un doctorat. étudiant au département de génie mécanique de l'UC Berkeley.

Les modèles de Kang ont révélé que ZIOS, lorsqu'il est immergé dans un environnement aqueux, "fonctionne comme une éponge, mais de manière plus structurée, " a déclaré Bui. "Contrairement à une éponge qui absorbe l'eau et étend sa structure dans des directions aléatoires, ZIOS se dilate dans des directions spécifiques en adsorbant les molécules d'eau."

Des expériences aux rayons X à la source de lumière avancée de Berkeley Lab ont révélé que les minuscules pores ou nanocanaux du matériau - seulement 2-3 angströms, la taille d'une molécule d'eau—se dilate également lorsqu'il est immergé dans l'eau. Cette expansion est déclenchée par un «réseau de liaison hydrogène, ' qui est créé lorsque ZIOS interagit avec les molécules d'eau environnantes, Bui a expliqué.

Cette expansion des nanocanaux permet aux molécules d'eau porteuses d'ions cuivre de circuler à plus grande échelle, au cours de laquelle une réaction chimique appelée « liaison de coordination » entre les ions cuivre et ZIOS a lieu.

Des expériences supplémentaires aux rayons X ont montré que ZIOS est hautement sélectif pour les ions cuivre à un pH inférieur à 3 - une découverte significative, car le pH du drainage minier acide est généralement un pH de 4 ou moins.

Par ailleurs, les chercheurs ont dit que lorsque l'eau est retirée du matériau, sa structure en réseau cristallin se contracte à sa taille d'origine en moins d'une nanoseconde (milliardième de seconde).

Le co-auteur Robert Kostecki a attribué le succès de l'équipe à son approche interdisciplinaire. "L'extraction sélective d'éléments et de minéraux des eaux naturelles et produites est un problème scientifique et technologique complexe, " dit-il. " Pour cette étude, nous avons tiré parti des capacités uniques de Berkeley Lab dans le domaine des nanosciences, sciences environnementales, et les technologies énergétiques pour transformer une découverte fondamentale des sciences des matériaux en une technologie qui a un grand potentiel d'impact dans le monde réel. et responsable du domaine de recherche et développement sur les matériaux et la fabrication au NAWI.

Les chercheurs prévoient ensuite d'explorer de nouveaux principes de conception pour l'élimination sélective d'autres polluants.

"Dans les sciences de l'eau et l'industrie de l'eau, de nombreuses familles de matériaux ont été conçues pour décontaminer les eaux usées, mais peu sont conçus pour l'élimination des métaux lourds du drainage minier acide. Nous espérons que ZIOS pourra aider à changer cela, " dit Urbain.