Structuri metal-organice pentru captarea metalelor toxice și recuperarea pământurilor rare
Cercetători de la Indian Institute of Technology Gandhinagar, University of Cambridge și University of Birmingham au dezvoltat un protocol bazat pe structuri metal-organice (MOF), o clasă de materiale extrem de poroase, capabile să capteze metale toxice din apă și, în același timp, să recupereze elemente de pământuri rare din fluxurile de deșeuri. Rezultatele au fost publicate în Nature Protocols.
Provocarea este dublă. Obiecte uzate precum lentile foto, căști sau telefoane vechi conțin elemente de pământuri rare utilizate în magneți, supraconductori, optică și baterii, dar recuperarea lor devine dificilă odată ce ajung în apă. În paralel, activitățile industriale pot introduce în aceleași ape metale toxice precum plumbul, cadmiul, nichelul și manganul. Astfel, problema nu mai vizează doar eliminarea poluanților metalici, ci și recuperarea eficientă a elementelor valoroase.
Un filtru molecular selectiv
Structurile metal-organice sunt materiale poroase obținute prin conectarea unor unități care conțin metale cu molecule organice numite linkeri, formând o rețea cu suprafață internă foarte mare. Unele MOF-uri pot atinge suprafețe interne de până la 7.000 de metri pătrați pe gram, comparabile cu un teren de fotbal conținut într-un vârf de pulbere.
Porii oferă o suprafață extinsă pentru captare, în timp ce siturile chimice proiectate special acționează ca niște cârlige care rețin metale specifice. Metalele pot fi reținute prin interacțiuni fizice sau prin legături chimice mai puternice. Structura și chimia MOF-ului pot fi ajustate pentru a crește selectivitatea, astfel încât să capteze anumite metale chiar și în prezența altor ioni.
Metodele convenționale de tratare a apei, precum precipitarea, coagularea și flocularea, sunt sensibile la pH, necesită infrastructură amplă și generează cantități mari de nămol. Tratarea electrochimică implică la rândul ei costuri economice și de mediu ridicate. Adsorpția oferă o alternativă simplă, aplicabilă pe scară largă și eficientă la concentrații scăzute de contaminanți, cu potențial de eliminare a 90%–99% dintre aceștia, fără a genera contaminanți secundari. Adsorbanții pot fi regenerați și reutilizați, iar MOF-urile se remarcă prin flexibilitatea lor de proiectare.
Teste în condiții reale
Protocolul descrie o metodă de utilizare a MOF-urilor ca adsorbanți pentru recuperarea și eliminarea metalelor în condiții controlate, inclusiv teste în scenarii complexe. Eliminarea și recuperarea au fost evaluate pe ape uzate alcaline (pH ~ 8,5), tulburi și cu un conținut ridicat de solide dizolvate, precum și pe apă de mare artificială și probe derivate din deșeuri electronice.
Un MOF pe bază de cupru a demonstrat capacități semnificative de adsorbție. Un gram de material a captat aproape jumătate de gram de plumb (490 mg/g), circa un sfert de gram de cadmiu (264 mg/g) și de mangan (226 mg/g). Pentru elementele de pământuri rare, un gram a reținut aproximativ o treime de gram: 351 mg de neodim, 343 mg de ytriu, 335 mg de disprosiu, 337 mg de terbiu și 345 mg de europiu.
Perspective pentru sustenabilitate
Conform echipei de cercetare, este nevoie de soluții care să răspundă simultan mai multor provocări de mediu, iar accentul a fost pus pe optimizarea performanței MOF-urilor pentru aplicații de remediere. Totuși, experimentele controlate în lot nu pot prezice pe deplin comportamentul în ape uzate complexe.
Rămân de evaluat aspecte precum fabricarea la scară largă, analizele de cost, evaluarea ciclului de viață al MOF-urilor și testarea din perspectiva reglementărilor. Fluxul de lucru dezvoltat în acest studiu poate fi aplicat și altor adsorbanți și altor contaminanți.
