纳米罐从水中捕获溶解的二氧化碳和有毒离子

大气中的二氧化碳可以溶解在海洋、湖泊和池塘中，形成碳酸氢根离子和其他改变水化学的化合物，可能对水生生物产生有害影响。此外，碳酸氢盐稍后会以二氧化碳的形式重新进入大气，从而导致气候变化。现在，研究人员已经开发出比人头发丝还小的“纳米罐”，可以将碳酸氢盐分解成碳酸盐并捕获它，以及某些有毒阴离子，因此这些离子可以被去除并有可能被回收利用。

研究人员今天将在化学学会 (ACS) 秋季会议上展示他们的结果。

“我们最初开发纳米罐是为了从水中提取有害的带负电荷的离子，如铬酸盐和砷酸盐，”在会议上介绍这项工作的 Gellert Mezei 博士说。“但事实证明，它们也与碳酸盐强烈结合。” 他说，纳米罐中捕获的碳酸盐或其他离子可以在以后处理或回收成有用的产品。

纳米罐是由铜离子、吡唑基团和氢氧化物的多个重复单元组成的微型容器。仅当存在带 –2 电荷的离子(例如铬酸盐、砷酸盐、磷酸盐或碳酸盐)时，才会形成罐子。当适当的成分加入到有机溶剂中时，重复单元形成并组装成纳米罐，带 -2 电荷的阴离子紧密结合在中心。

为了去除水中的阴离子，研究人员添加了含有纳米罐成分的溶剂，在水面上形成了有机层。“溶剂不会与水混合，但水中的阴离子可以进入这个有机层，”西密歇根大学的 Mezei 解释说。“然后，纳米罐形成并包裹在离子周围，将它们捕获在有机相中。” 因为水层和有机层不混合，所以很容易分离。用弱酸处理有机层会导致纳米罐分崩离析，释放阴离子以进行处理或回收。

研究人员使用纳米罐去除水中的有毒阴离子。“我们已经证明，我们可以将铬酸盐和砷酸盐提取到低于环境保护署允许的饮用水水平——真的，非常低的水平，”梅泽说。纳米罐对碳酸盐的亲和力甚至更高，向混合物中加入一种叫做 1,10-菲咯啉的分子会产生纳米罐，每个纳米罐都结合两个碳酸根离子，而不是一个。

该团队还制造了对某些阴离子有选择性的纳米罐。“最初的吡唑构建块使纳米罐对–2 带电离子具有完全选择性，但它们无法区分这些离子，”Mezei 说。通过使用由乙烯连接体连接的两个吡唑作为构建块，研究人员制造了优先与碳酸盐结合的纳米罐。最近，他们已经表明，使用两个吡唑和一个丙烯接头可以产生硫酸盐选择性纳米罐。这些阴离子选择性纳米罐对于仅应去除某些 –2 带电离子的应用非常重要。

研究人员还一直致力于使该过程更适合实际应用。例如，他们将弱碱三辛胺换成强碱氢氧化钠，最初用于制造纳米罐。“与氢氧化钠不同，三辛胺可溶于有机相，使纳米罐的形成更加有效，”Mezei 说。有趣的是，三辛胺导致形成结构略有不同的纳米罐，他将其称为“封盖”纳米罐，但它们似乎与碳酸盐结合得同样紧密。

到目前为止，所有的实验都是在实验室规模下进行的。Mezei 说，开发一个系统来处理大量的水，比如在湖中，需要与工程师合作。然而，他设想可以将受污染的湖水泵入一个站进行处理，然后返回湖中。一些离子，如磷酸盐，可以回收用于有用的目的，如肥料。碳酸盐可能会被回收以制造“绿色”溶剂，称为碳酸酯，用于纳米罐提取本身。“这个从水中去除二氧化碳的过程是否 ——间接地，大气——将与其他技术竞争，我还不知道，”梅泽说。“有很多方面需要考虑，这是一项棘手的工作。

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