Énergie et environnement

Ces cristaux brillants offrent une nouvelle purification de l'eau

Ces cristaux brillants offrent une nouvelle purification de l'eau

Lorsque des niveaux élevés de métaux lourds ont été trouvés dans l'eau potable à Flint, au Michigan, et à Newark, au New Jersey, une équipe scientifique a proposé un nouvel outil puissant, des cristaux lumineux, pour nettoyer les sources d'eau contaminées. Les cristaux brillants sont connus sous le nom de cadres métalliques organiques luminescents (LMOF) qui fonctionnent comme des capteurs miniatures et réutilisables, qui piègent les métaux lourds.

La simple combinaison de deux parties d'hydrogène et d'une partie d'oxygène forme le composé fondamental de la vie sur Terre. Les deux tiers de la surface de la terre étant recouverts d'eau et 75% dans le corps humain, l'eau circule à travers la terre pour transporter, dissoudre, fournir de la matière organique, tout en emportant les déchets. De la cuisine aux activités récréatives comme la baignade, tout nécessite de l'eau.

[Structure du LMOF-261. Source de l'image: Berkeley Labs]

Contrairement aux époques précédentes, notre société développée a donné un œil au beurre noir sur la qualité de l'eau. Les modes de réalisation des canaux d'eau naturels comme les rivières, les mers et les océans ont été exploités et contaminés. Des millions de personnes ont du mal à trouver un approvisionnement suffisant en eau potable. Les maladies d'origine hydrique sont toujours l'une des principales causes de décès dans le monde.

Les zones industrialisées massives, les villes obsolètes à régulation de l'eau, les communautés agricoles sont plus sujettes à la contamination des eaux souterraines. S'il n'est pas traité, cela peut entraîner une contamination du sol. L'eau contaminée peut transmettre des maladies telles que la diarrhée, le choléra, la dysenterie, la typhoïde et la polio. On estime que l'eau potable contaminée cause 502 000 décès par diarrhée chaque année. Selon l’OMS, d’ici 2025, la moitié de la population mondiale vivra dans des zones de stress hydrique.

Dirigés par des chercheurs de l'Université Rutgers, les scientifiques ont utilisé des rayons X intenses au Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) pour sonder la structure de minuscules cristaux lumineux qui détectent et capturent les toxines de métaux lourds telles que le plomb et le mercure. La recherche a également aidé à étudier la liaison des cristaux aux métaux lourds.

«Cette technologie pourrait être une solution économique. D'autres avaient développé des MOF pour la détection des métaux lourds ou pour leur élimination, mais personne auparavant n'avait vraiment étudié celui qui fait les deux », explique Jing Li, professeur de chimie à l'Université Rutgers qui a dirigé la recherche.

Le processus:

En intégrant un composant chimique fluorescent Ligand, le LMOF brillera. Cependant, lors de l'interaction avec les métaux lourds, la lueur LMOF s'éteint. «Lorsque le métal se lie au ligand fluorescent, le cadre qui en résulte devient fluorescent», a déclaré Simon Teat, un scientifique du Berkeley Lab.

Les cristaux mesuraient chacun environ 100 microns. Teat a étudié des cristaux de LMOF individuels avec des rayons X à la source de lumière avancée (ALS) du laboratoire. L'ALS est l'une des rares sources de lumière à rayons X synchrotron au monde à avoir consacré des stations expérimentales à la cristallographie chimique. Sous la lumière des rayons X, le LMOF produit des diagrammes de diffraction. En utilisant ces modèles, Teat a utilisé des outils logiciels pour cartographier leur structure tridimensionnelle avec une résolution atomique.

Une série isoréticulaire de LMOF est synthétisée en incorporant un fluorophore moléculaire fortement émissif et des colorants fonctionnellement diversifiés dans des structures à base de Zn. Les réseaux poreux tridimensionnels de LMOF-261, -262 et -263 représentent un nouveau type de filets.

Teat a remarqué une structure 3D en forme de grille contenant des atomes de carbone, d'hydrogène, d'oxygène, d'azote et de zinc qui encadraient de grands canaux ouverts. Ces structures à l'échelle atomique permettent aux métaux lourds d'entrer dans ces canaux ouverts puis de se lier aux MOF, chimiquement. En outre, les détails structurels peuvent également aider à concevoir des structures plus spécialisées. En raison de la grande surface du MOF, de nombreux contaminants peuvent être adsorbés.

[Simon Teat, avec la ligne de faisceau de Advanced Light Source (ALS). Source de l'image: Berkeley Labs]

«Les rayons X intenses produits au niveau des synchrotrons sont le meilleur moyen de cartographier la structure 3D des MOF. Connaître les structures cristallines est l'un des aspects les plus importants de notre recherche. Vous en avez besoin pour effectuer des caractérisations ultérieures et pour comprendre les propriétés de ces matériaux », a déclaré Jing Li.

Résultats de test:

Selon les résultats récents publiés dans Applied Materials and Interfaces, un mélange de métaux lourds et légers a été testé avec un type de LMOF; en l'espace d'une demi-heure, il pourrait absorber sélectivement plus de 99% du mercure du mélange. L'équipe a signalé que dans ce processus de détection et de capture des métaux lourds toxiques, aucun autre MOF n'a obtenu de meilleurs résultats.

De plus, les chercheurs ont découvert que les LMOF se lient fortement au mercure et au plomb, mais se lient faiblement aux métaux plus légers tels que le magnésium et le calcium. Cependant, ces métaux plus légers ne présentent pas les mêmes dangers. «Ce trait sélectif, basé sur la composition moléculaire des LMOF, est important. Nous avons besoin d'un MOF sélectif qui ne prendra que les espèces nuisibles. Ce sont des résultats prometteurs, mais nous avons un long chemin à parcourir », a déclaré Li.

En outre, les chercheurs ont constaté qu'avant la dégradation des performances des LMOF, ils pouvaient collecter, nettoyer puis réutiliser les LMOF pour trois cycles de purification toxiques.

L'avenir:

Li a déclaré que davantage de R&D pourrait explorer des LMOF moins coûteux et plus durables qui pourraient durer plus de cycles, et les chercheurs pourraient également poursuivre le développement de filtres à eau avec un film solide en mélangeant les LMOF avec des polymères. «Ces filtres pourraient être utilisés pour la capture à plus grande échelle. Nous aimerions continuer cette recherche », a-t-elle déclaré.

Avec un financement suffisant, l'équipe scientifique aimerait tester les performances sur des sources d'eau réellement contaminées. En outre, l'équipe ALS de Berkeley Lab a été utilisée par l'équipe pour déterminer les structures cristallines des MOF pour une grande variété d'autres applications, telles que la détection d'explosifs puissants, la détection de toxines alimentaires et les LED de nouveaux types de composants électroluminescents (appelés phosphores) ) qui intègrent des matériaux moins chers et abondants.

Des chercheurs de l'Université du Texas à Dallas et de l'Université Rider ont également participé à cette recherche. Le travail a été soutenu par le Bureau de la science du DOE.

VOIR AUSSI: L'eau gèle au lieu de bouillir dans les nanotubes de carbone

Via Berkeley Lab

Image présentée avec l'aimable autorisation de l'Université Rutgers

Écrit par Alekhya Sai Punnamaraju

Voir la vidéo: Camping sauvage: les 3 pires ennemies astuces et conseils (Novembre 2020).