Недорогой пористый полимер для очистки воды от токсичных металлов

Источник: phys.org

Водоносные горизонты, озера и реки, используемые как источники питьевой воды, редко содержат примеси металлов. Но когда вода проходит через инженерные сети и системы домашней сантехники, из-за коррозии в ней может появиться небольшое количество свинца, кадмия и других тяжелых металлов, токсичных для человека. Недавно Всемирная организация здравоохранения снизила рекомендованные концентрации свинца в питьевой воде до 10 частей на миллиард (частей на миллиард), чтобы помочь предотвратить случайное отравление. Достижение таких низких уровней концентрации свинца обычно требует трудоемких и дорогих реакций осаждения или систем обратного осмоса. При этом из воды удаляются также необходимые минералы — такие, как кальций.

Команда ученых A*STAR (Агентство по науке, технологиям и исследованиям, Сингапур) во главе с Югеном Чжаном и Джеки И. Ином разработала новую технологию по очистке воды. Исследователи использовали пористый полимер, который селективно связывается с свинцом и другими тяжелыми металлами в проточной воде.

Фильтрация воды через пористые вещества (такие как активированный уголь), является одной из старейших и наиболее эффективных методик дезактивации. В последнее время химики разработали новые материалы, называемые пористыми органическими полимерами (POPs). Они сочетают поры нанометровых размеров и молекулярные строительные блоки, поддающиеся тонкой настройке. Эти свойства сделали POPs привлекательными платформами для выделения и хранения газов, таких, как водород и диоксид углерода, а также для изготовления каталитических опор. Г-н Чжан и его коллеги недавно синтезировали POP, известный как мезопористый поли-меламин-формальдегид (mPMF) с исключительными возможностями захвата диоксида углерода.

Недорогой и простой в производстве (синтезируется за один этап) материал имеет большую площадь поверхности, обусловленную химической структурой. Структура состоит из азотсодержащих ароматических колец, связанных в более крупные, наноразмерные углеводородно-аминовые элементы. Поскольку атомы азота в mPMF обладают высокой способностью связывания тяжелых металлов, ученые предположили, что материал может также выступать в качестве сорбента для очистки воды. Исследователи поместили полимер в воду, загрязненное избытком ионов свинца. Более 99% токсичного металла было удалено в течение 5 секунд, и концентрация свинца была снижена до 1 части на триллион.

Эффективность удаления была подтверждена и для стационарной, и для проточной очистки воды. Кроме того, поглощенные ионы свинца легко восстановить, а сорбент после обработки может использоваться повторно. Углубленные эксперименты показали, что сверхбыстрая адсорбция обусловлена открытой пористой структурой, предоставляющей полный доступ к атомам азота на связывающих участках. Эти участки удаляют различные тяжелые металлы, такие как свинец, кадмий и палладий. В то же время, они не связываются с катионами полезных для здоровья минералов — кальция и калия. Такая высокая селективность позволяет уже в ближайшем будущем использовать mPMF в коммерческих приложениях.