Teknologi prototipe menyusut AI untuk menghadirkan fungsionalitas seperti otak dalam satu perangkat yang kuat - ScienceDaily
Lingkungan

Bahan baru ‘tambang’ tembaga dari air limbah beracun – ScienceDaily


Kami mengandalkan air untuk memuaskan dahaga kami dan untuk mengairi lahan pertanian yang melimpah. Tapi apa yang Anda lakukan ketika air yang dulunya murni itu tercemar dengan air limbah dari tambang tembaga yang ditinggalkan?

Solusi yang menjanjikan bergantung pada bahan yang menangkap atom logam berat, seperti ion tembaga, dari air limbah melalui proses pemisahan yang disebut adsorpsi. Tetapi produk penangkap ion tembaga yang tersedia secara komersial masih kurang memiliki kekhususan kimiawi dan kapasitas muat untuk memisahkan logam berat dari air secara tepat.

Sekarang, tim ilmuwan yang dipimpin oleh Laboratorium Nasional Lawrence Berkeley Departemen Energi (Lab Berkeley) telah merancang bahan baru – yang disebut ZIOS (zinc imidazole salicylaldoxime) – yang menargetkan dan menjebak ion tembaga dari air limbah dengan presisi dan kecepatan yang belum pernah terjadi sebelumnya. Dalam makalah yang baru-baru ini diterbitkan di jurnal Komunikasi Alam, para ilmuwan mengatakan bahwa ZIOS menawarkan kepada industri air dan komunitas penelitian cetak biru pertama untuk teknologi remediasi air yang mengais ion logam berat tertentu dengan ukuran kontrol pada tingkat atom yang jauh melampaui teknologi terkini.

“ZIOS memiliki kapasitas adsorpsi tinggi dan kinetika adsorpsi tembaga tercepat dari material apa pun yang diketahui sejauh ini – semuanya dalam satu,” kata penulis senior Jeff Urban, yang mengarahkan Fasilitas Struktur Nano Anorganik di Laboratorium Molekuler Foundry Berkeley Lab.

Penelitian ini mewujudkan karya khas Molecular Foundry – desain, sintesis, dan karakterisasi bahan yang dioptimalkan pada skala nano (sepersejuta meter) untuk aplikasi baru yang canggih dalam kedokteran, katalisis, energi terbarukan, dan banyak lagi.

Misalnya, Urban telah memfokuskan sebagian besar penelitiannya pada desain material super tipis dari material keras dan lunak untuk berbagai aplikasi, dari desalinasi air yang hemat biaya hingga material 2D yang dirakit sendiri untuk aplikasi energi terbarukan.

“Dan apa yang kami coba tiru di sini adalah fungsi canggih yang dilakukan oleh alam,” seperti ketika protein yang menyusun sel bakteri memilih logam tertentu untuk mengatur metabolisme sel, kata penulis utama Ngoc Bui, mantan peneliti postdoctoral di Berkeley Lab’s Molecular Foundry yang sekarang menjadi asisten profesor di bidang teknik kimia, biologi, dan material di University of Oklahoma.

“ZIOS membantu kita memilih dan menghilangkan hanya tembaga, kontaminan dalam air yang telah dikaitkan dengan penyakit dan kegagalan organ, tanpa menghilangkan ion yang diinginkan, seperti nutrisi atau mineral penting,” tambahnya.

Kekhususan seperti itu pada tingkat atom juga dapat mengarah pada teknik pengolahan air yang lebih terjangkau dan membantu pemulihan logam mulia. “Sistem pengolahan air saat ini adalah ‘teknologi pemisahan massal’ – mereka mengeluarkan semua zat terlarut, terlepas dari bahaya atau nilainya,” kata rekan penulis Peter Fiske, direktur Aliansi Nasional untuk Inovasi Air (NAWI) dan Energi Air Resilience Institute (WERRI) di Berkeley Lab. “Bahan yang sangat selektif dan tahan lama yang dapat menangkap jejak konstituen tertentu tanpa terbebani dengan zat terlarut lain, atau hancur seiring waktu, akan sangat penting dalam menurunkan biaya dan energi pengolahan air. Bahan tersebut juga memungkinkan kita untuk ‘menambang’ air limbah untuk logam berharga atau konstituen jejak lainnya. “

Mengais logam berat di tingkat atom

Urban, Bui, dan rekan penulis melaporkan bahwa kristal ZIOS sangat stabil di air – hingga 52 hari. Dan tidak seperti kerangka logam-organik, bahan baru ini bekerja dengan baik dalam larutan asam dengan kisaran pH yang sama dari air limbah tambang asam. Selain itu, ZIOS secara selektif menangkap ion tembaga 30-50 kali lebih cepat daripada adsorben tembaga canggih, kata para peneliti.

Hasil ini mengejutkan Bui. “Awalnya saya pikir itu adalah kesalahan, karena kristal ZIOS memiliki luas permukaan yang sangat rendah, dan menurut kebijaksanaan konvensional, suatu bahan harus memiliki luas permukaan spesifik yang tinggi, seperti kelompok penyerap lainnya, seperti kerangka logam-organik, atau kerangka aromatik berpori, memiliki kapasitas adsorpsi tinggi dan kinetik adsorpsi sangat cepat, “katanya. “Jadi saya bertanya-tanya, ‘Mungkin sesuatu yang lebih dinamis sedang terjadi di dalam kristal.'”

Untuk mengetahuinya, dia merekrut bantuan penulis bersama Hyungmook Kang untuk melakukan simulasi dinamika molekuler di Molecular Foundry. Kang adalah peneliti mahasiswa pascasarjana di Urban Lab di Berkeley Lab’s Molecular Foundry dan gelar Ph.D. mahasiswa di departemen teknik mesin di UC Berkeley.

Model Kang mengungkapkan bahwa ZIOS, ketika dibenamkan dalam lingkungan berair, “bekerja seperti spons, tetapi dengan cara yang lebih terstruktur,” kata Bui. “Tidak seperti spons yang menyerap air dan mengembangkan strukturnya secara acak, ZIOS mengembang ke arah tertentu saat ia menyerap molekul air.”

Eksperimen sinar-X di Advanced Light Source Berkeley Lab mengungkapkan bahwa pori-pori atau saluran nano yang sangat kecil – hanya 2-3 angstrom, seukuran molekul air – juga mengembang saat direndam dalam air. Ekspansi ini dipicu oleh “jaringan ikatan hidrogen,” yang dibuat saat ZIOS berinteraksi dengan molekul air di sekitarnya, jelas Bui.

Perluasan saluran nano ini memungkinkan molekul air yang membawa ion tembaga mengalir pada skala yang lebih besar, di mana reaksi kimia yang disebut “ikatan koordinasi” antara ion tembaga dan ZIOS berlangsung.

Eksperimen sinar-X tambahan menunjukkan bahwa ZIOS sangat selektif terhadap ion tembaga pada pH di bawah 3 – temuan yang signifikan, karena pH drainase asam tambang biasanya pH 4 atau lebih rendah.

Lebih lanjut, para peneliti mengatakan bahwa ketika air dikeluarkan dari material, struktur kisi kristalnya berkontraksi dengan ukuran aslinya dalam waktu kurang dari 1 nanodetik (sepersejuta detik).

Rekan penulis Robert Kostecki menghubungkan kesuksesan tim dengan pendekatan interdisipliner mereka. “Ekstraksi secara selektif unsur dan mineral dari air alam dan air produksi merupakan masalah sains dan teknologi yang kompleks,” katanya. “Untuk studi ini, kami memanfaatkan kemampuan unik Berkeley Lab di seluruh ilmu nano, ilmu lingkungan, dan teknologi energi untuk mengubah penemuan ilmu bahan dasar menjadi teknologi yang memiliki potensi besar untuk berdampak di dunia nyata.” Kostecki adalah direktur Penyimpanan Energi dan Divisi Sumber Daya Terdistribusi di Area Teknologi Energi Lab Berkeley, dan bidang topik R&D Bahan dan Manufaktur memimpin di NAWI.

Para peneliti selanjutnya berencana untuk mengeksplorasi prinsip desain baru untuk menghilangkan polutan lainnya secara selektif.

“Dalam ilmu air dan industri air, banyak kelompok bahan telah dirancang untuk dekontaminasi air limbah, tetapi hanya sedikit yang dirancang untuk menghilangkan logam berat dari drainase asam tambang. Kami berharap ZIOS dapat membantu mengubahnya,” kata Urban.

Dipersembahkan Oleh : Lapak Judi

Baca Juga : Pengeluaran SGP