Рисовая лаборатория химика Эндрю Бэррона обнаружила, что фуллерены углерод-60 (также известные как бакиболлы), прошедшие химический процесс, известный как агрегат гидроксилирования, превращаются в жемчужные нити, когда они связываются и отделяют металлы — одни лучше, другие — от решения. Потенциальные применения этого процесса включают экологически безопасное удаление металлов из кислотных дренажных жидкостей горнодобывающих предприятий, отходов угольной промышленности, а также из жидкостей, используемых для гидроразрыва пласта при добыче нефти и газа.
Химик риса Эндрю Бэррон (слева) и студентка Джессика Хейманн руководили проектом, в котором молекулы углерода-60, также известные как бакиболлы, обрабатывались, чтобы позволить им удалить ценные, но потенциально токсичные металлы из воды и других жидкостей. Фото Джеффа Фитлоу
Бэррон сказал, что обработанные бакиболлы неожиданно обрабатывают металлы с разными зарядами, что может позволить извлекать определенные металлы из сложных жидкостей, игнорируя другие.Исследование, проведенное студенткой Райс Джессикой Хейманн, было опубликовано в журнале Dalton Transactions Королевского химического общества.Предыдущие исследования в лаборатории Баррона показали, что гидроксилированные фуллерены (известные как фуллеренолы) объединяются с ионами железа с образованием нерастворимого полимера.
Хайманн и его коллеги провели серию экспериментов, чтобы изучить относительную связывающую способность фуллеренолов с рядом металлов.«Очень хорошо сказать, что я могу извлекать металлы из воды, но для более сложных жидкостей проблема состоит в том, чтобы извлечь те, которые вам действительно нужны», — сказал Бэррон. «Кислотные горнодобывающие отходы, например, содержат большое количество железа и алюминия и небольшое количество никеля, цинка и меди, которые вам нужны. Честно говоря, железо и алюминий — не худшие металлы, которые могут быть в вашей воде, потому что они все равно в естественной воде.
«Итак, наша цель состояла в том, чтобы увидеть, есть ли предпочтения между разными типами металла, и мы нашли один. Тогда вопрос был: почему?»Изображение, полученное с помощью просвечивающего электронного микроскопа, показывает агрегированные «нити жемчуга», которые образуются, когда молекулы гидроксилированного углерода-60 сшиваются с металлами — в данном случае с железом и никелем — в растворе.
Исследования показывают, что эту технику можно использовать для удаления определенных молекул металлов из растворов. Масштабная линейка составляет 50 нанометров.
Предоставлено Barron Research GroupОтвет был в ионах. Атом или молекула с большим или меньшим количеством электронов, чем протонов, — это ион с положительным или отрицательным зарядом. Все металлы, проверенные лабораторией Райса, были положительными, с зарядом 2 или 3.«Обычно, чем больше металл, тем лучше он разделяется», — сказал Бэррон, но эксперименты доказали обратное.
Два с плюсом металла с меньшим ионным радиусом связываются лучше, чем более крупные. (Из них цинк связан наиболее прочно.) Но для трех с лишним ионов большие работают лучше, чем маленькие.«Это действительно странно», — сказал Бэррон. «Тот факт, что существуют диаметрально противоположные тенденции для металлов с зарядом 2+ и металлов с зарядом 3+, делает это интересным. В результате мы должны иметь возможность предпочтительно разделять металлы, которые нам нужны».Эксперименты показали, что фуллеренолы соединяются с десятком металлов, превращая их в твердые сшитые полимеры.
В порядке эффективности и начиная с самого лучшего, металлами были цинк, кобальт, марганец, никель, лантан, неодим, кадмий, медь, серебро, кальций, железо и алюминий.Ссылка на «жемчуг» не далеко от буквальной, поскольку одним из источников вдохновения для статьи послужил тот факт, что ионы металлов являются сшивающими агентами для белков, которые придают некоторым морским мидиям удивительную способность прилипать к влажным камням.При тестировании различных металлов исследователи Райса обнаружили, что заряд и ионный радиус влияют на то, как металлы связываются с гидроксилированными бакиболами.
Предоставлено Barron Research GroupХайманн, старший, начал работу над проектом, прежде чем провести семестр в сестринском учреждении Райс в Германии, Университете Якобса. «Сначала я работала с углеродными нанотрубками, окисляя их, чтобы увидеть, как они будут связывать металлы, а затем уехала за границу», — сказала она. К тому времени, как она вернулась, Бэррон был готов испытать C-60. «Исходя из Rice и его истории с бакиболлами, я подумал, что это было бы действительно круто», — сказал Хайманн.«Мне понравилось видеть конечную цель создания фильтра, который можно было бы использовать для очистки загрязненной воды», — сказала она.
Баррон сказал, что фуллеренолы действуют как хелатные агенты, которые определяют, как ионы и молекулы связываются с ионами металлов. Эксперименты с различными металлами показали, что фуллеренолы связываются с ними менее чем за минуту, после чего объединенные твердые частицы могут быть отфильтрованы.
Бэррон сказал, что выбор алюминия, цинка и никеля для испытаний был обусловлен их совместным присутствием с железом в дренажных водах кислотных шахт. Точно так же кадмий был протестирован на его связь с удобрениями и осадком сточных вод, а медь — с горными отходами.
Никель, лантан и неодим используются в аккумуляторах и приводных двигателях гибридных транспортных средств.Бэррон сказал, что исследование показывает универсальность бакибола, открытого в Райсе в 1985 году лауреатами Нобелевской премии Риком Смолли, Робертом Керлом и Гарольдом Крото. Это также указывает путь вперед. «Понимание, которое у нас сейчас есть, позволяет нам найти альтернативы С-60 для разработки способов более эффективного разделения металлов», — сказал он.Соавторами статьи являются аспирантка Райс Лорен Морроу и выпускник Робин Андерсон.
Бэррон — профессор химии Чарльза У. Дункана младшего-Уэлча и профессор материаловедения и наноинженерии.Фонд Роберта А. Уэлча и Государственная программа Сер Саймру Уэлча поддержали исследование.