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Energia e Meio Ambiente

Estes cristais reluzentes oferecem uma nova purificação de água

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Quando altos níveis de metais pesados ​​foram encontrados na água potável em Flint, Michigan, e Newark, N.J., uma equipe científica apresentou uma nova ferramenta poderosa, Cristais brilhantes, para limpar fontes de água contaminadas. Os cristais reluzentes são conhecidos como estruturas orgânicas metálicas luminescentes (LMOFs), que funcionam como uma miniatura e sensores reutilizáveis, que prendem os metais pesados.

A simples combinação de duas partes de hidrogênio e uma parte de oxigênio forma o composto fundamental da vida na Terra. Com dois terços da superfície terrestre cobertos por água e 75 por cento no corpo humano, a água circula pela terra transportando, dissolvendo, fornecendo matéria orgânica, enquanto carrega os resíduos. De cozinhar a atividades recreativas como nadar, tudo requer água.

[Estrutura do LMOF-261. Fonte da imagem: Berkeley Labs]

Ao contrário de épocas anteriores, nossa sociedade desenvolvida tem dado um olho roxo à qualidade da água. As incorporações de canais naturais de água como rios, mares e oceanos foram exploradas e contaminadas. Milhões de pessoas lutam para encontrar um suprimento adequado de água potável. As doenças transmitidas pela água ainda são uma das principais causas de morte em todo o mundo.

Grandes áreas industrializadas, cidades com regulamentação de água desatualizada, comunidades agrícolas são mais propensas à contaminação de lençóis freáticos. Se não for tratada, pode levar à contaminação do solo. A água contaminada pode transmitir doenças como diarreia, cólera, disenteria, febre tifóide e poliomielite. Estima-se que a água potável contaminada cause 502.000 mortes por diarreia a cada ano. De acordo com a OMS, em 2025, metade da população mundial estará vivendo em áreas com escassez de água.

Liderados por pesquisadores da Rutgers University, os cientistas usaram intensos raios-X no Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) para sondar a estrutura de minúsculos cristais brilhantes que detectam e capturam toxinas de metais pesados, como chumbo e mercúrio. A pesquisa também ajudou a estudar sobre a ligação de cristais a metais pesados.

“Essa tecnologia pode ser uma solução para economizar dinheiro. Outros desenvolveram MOFs para a detecção de metais pesados ​​ou para sua remoção, mas ninguém antes havia realmente investigado um que fizesse as duas coisas ”, disse Jing Li, professor de química da Universidade Rutgers que liderou a pesquisa.

O processo:

Ao integrar um componente químico fluorescente Ligante, o LMOF brilhará. No entanto, durante a interação com metais pesados, o brilho LMOF desliga. “Quando o metal se liga ao ligante fluorescente, a estrutura resultante fica fluorescente”, disse Simon Teat, cientista da equipe do Berkeley Lab.

Os cristais mediam cada um cerca de 100 mícrons. Teat estudou cristais LMOF individuais com raios-X na Advanced Light Source (ALS) do laboratório. O ALS é uma das poucas fontes de luz de raios-X síncrotron no mundo que dedicou estações experimentais para cristalografia química. Sob a luz de raios-X, o LMOF produz padrões de difração. Usando esses padrões, Teat utilizou ferramentas de software para mapear sua estrutura tridimensional com resolução atômica.

Uma série isoreticular de LMOFs é sintetizada pela incorporação de um fluoróforo molecular fortemente emissivo e colinkers funcionalmente diversos em estruturas baseadas em Zn. As redes porosas tridimensionais de LMOF-261, -262 e -263 representam um novo tipo de redes.

Teat notou uma estrutura 3D padronizada como uma grade que contém átomos de carbono, hidrogênio, oxigênio, nitrogênio e zinco que enquadram canais grandes e abertos. Essas estruturas em escala atômica permitem que os metais pesados ​​entrem nesses canais abertos e se liguem aos MOFs, quimicamente. Além disso, os detalhes estruturais também podem ajudar no projeto de estruturas mais especializadas. Devido à grande área de superfície do MOF, muitos contaminantes podem ser adsorvidos.

[Simon Teat, junto com a linha de luz da Advanced Light Source (ALS). Fonte da imagem: Berkeley Labs]

“Raios-X intensos produzidos em síncrotrons são a melhor maneira de mapear a estrutura 3-D dos MOFs. Conhecer as estruturas cristalinas é um dos aspectos mais importantes de nossa pesquisa. Você precisa deles para realizar caracterizações subsequentes e compreender as propriedades desses materiais ”, disse Jing Li.

Resultado dos testes:

De acordo com os resultados recentes publicados na Applied Materials and Interfaces, uma mistura de metais pesados ​​e leves foi testada com um tipo de LMOF; em um intervalo de meia hora, ele poderia retirar seletivamente mais de 99% do mercúrio da mistura. A equipe relatou que nesse processo de detecção e captura de metais pesados ​​tóxicos, nenhum outro MOF teve um desempenho melhor.

Além disso, os pesquisadores descobriram que os LMOFs se ligam fortemente ao mercúrio e ao chumbo, mas se ligam fracamente a metais mais leves, como magnésio e cálcio. No entanto, esses metais mais leves não apresentam os mesmos riscos. “Essa característica seletiva, baseada na composição molecular dos LMOFs, é importante. Precisamos ter um MOF que seja seletivo e leve apenas as espécies nocivas. São resultados promissores, mas ainda temos um longo caminho a percorrer ”, disse Li.

Além disso, os pesquisadores descobriram que antes do downgrade de desempenho do LMOF, eles podiam coletar, limpar e reutilizar os LMOFs por três ciclos de purificação tóxica.

O futuro:

Li afirmou que mais P&D poderia explorar LMOFs de custo mais baixo e mais duráveis, que poderiam durar mais ciclos, e os pesquisadores também poderiam buscar o desenvolvimento de filtros de água com um filme sólido misturando os LMOFs com polímeros. “Esses filtros poderiam ser usados ​​para captura em maior escala. Gostaríamos de continuar com essa pesquisa ”, disse ela.

Com o financiamento suficiente, a equipe de ciência gostaria de testar o desempenho em fontes de água realmente contaminadas. Além disso, o ALS do Berkeley Lab foi usado pela equipe para determinar as estruturas de cristal de MOFs para uma ampla variedade de outras aplicações, como detecção de alto explosivos, detecção de toxinas alimentares e novos tipos de LEDs de componentes emissores de luz (conhecidos como fósforos ) que incorporam materiais mais baratos e amplos.

Pesquisadores da Universidade do Texas em Dallas e da Rider University também participaram desta pesquisa. O trabalho foi apoiado pelo DOE Office of Science.

VEJA TAMBÉM: Água congela em vez de ferver em nanotubos de carbono

Via Berkeley Lab

Imagem em destaque cortesia da Rutgers University

Escrito por Alekhya Sai Punnamaraju


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