Naukowcy z Universita di Roma Tor Vergata we Włoszech zademonstrowali konstrukcję z nanorurek węglowych z dodatkiem siarki, która ma postać trójwymiarowej, porowatej siatki. Węglowa gąbka ma służyć jako bardzo wydajny materiał do usuwania zanieczyszczeń z wody, m.in. olejów, sztucznych nawozów, pestycydów i leków.
Ludzie, zwierzęta i rośliny potrzebują świeżej i czystej wody do przeżycia. Ludzkie ciało składa się średnio w 70% z wody. Organizm ludzki szybko się odwadnia, bez wody człowiek potrafi przeżyć tylko kilka dni. Życiodajny płyn uczestniczy w przebiegu większości reakcji metabolicznych, stanowi środek transportu wewnątrzustrojowego, reguluje temperaturę. To także płynne środowisko niezbędne do usuwania końcowych produktów przemiany materii. Aby zachować zdrowie, każdy człowiek musi codziennie przyjąć w posiłkach i napojach od 2 do 3 litrów wody.
Zapotrzebowanie na wodę szybko rośnie na skutek wzrostu liczby ludności i urbanizacji obszarów wiejskich. Ponadto, technologie przemysłowe (np. farmakologiczne, włókiennicze) i techniki hodowli roślin wymagają stosowania różnego rodzaju środków chemicznych, w tym nawozów, pestycydów, insektycydów. Pozostałości i odpady w połączeniu z wodą generują ścieki, które przyczyniają się do zanieczyszczenia naturalnych źródeł. Strumienie te zawierają zazwyczaj ślady większej ilości węglowodorów aromatycznych (w tym węglowodorów chlorowanych – DDT, heptachlor, endosulfan, chlodan). Mają one znaczne powinowactwo do tkanki tłuszczowej, gdzie są magazynowane (kumulują się także w wątrobie, mózgu, nerkach, sercu). Substancje te działają toksycznie na układ nerwowy, powodują zatrucia, obrzęk płuc, a w rezultacie mogą prowadzić do zgonu. Oprócz tego, znaczącym elementem zanieczyszczenia wód są wycieki paliw i olejów, uwalniane podczas wiercenia dna, awarii statków, rurociągów, płukania zbiorników. Tego typu wydarzenia mają zwykle katastrofalny wpływ na morskie ekosystemy.
Badacze z całego świata włożyli wiele wysiłku w opracowanie nowych materiałów umożliwiających bardziej skuteczne usuwanie zanieczyszczeń, zarówno z wody słodkiej jak i morskiej. Nanorurki węglowe (z ang. carbon nanotubes, CNT) z powodu dużej powierzchni właściwej, wysokiej wytrzymałości mechanicznej i zdolności adsorpcyjnych (pochłaniających) uważane są za doskonałych kandydatów do oczyszczania ścieków. Nanorurki węglowe to walce o średnicy rzędu nanometrów, powstałe ze zwiniętej jednoatomowej płaszczyzny (grafenu). Puste w środku, cylindryczne nanorurki produkowane są m.in. poprzez wyładowania łukowe, ablację laserową, osadzanie z fazy gazowej (z ang. chemical vapor deposition, CVD) i spalanie węglowodorów. Do tej pory przeprowadzono próby uzdatniania wody z nanorurkami w postaci proszku, jednak pojawiły się problemy z ponownym ich pobraniem i oddzieleniem od płynu, już po wchłonięciu szkodliwych substancji. Trudności rozwiązano, tworząc większe, trójwymiarowe konstrukcje o milimetrowych rozmiarach.
Zespół inżynierów z Rzymu przeprowadził syntezę CVD nanorurek z dodatkami, w rozgrzanym piecu (900-1000°C) w atmosferze argonu. Źródłem węgla był acetylen – węglowodór, który podczas rozkładu dzielił się na cząsteczki wodoru i atomy węgla. Dodatki ferrocenu i tiofenu rozpuszczone w etanolu stanowiły odpowiednio katalizator i źródło atomów siarki. Roztwór wstrzykiwano do komory pieca przy stałej szybkości 7 ml/h. Mieszanina cieczy i gazu odparowywała przez 30 minut w wysokiej temperaturze, tworząc na kwarcowych ścianach pieca szkielety w postaci gąbek o średnich wymiarach 20 mm × 7 mm × 2 mm. Zsyntetyzowane, porowate makroelementy były bardzo lekkie (gęstość na poziomie 6 mg/cm^3) oraz hydrofobowe (kąt zwilżania większy niż 150 stopni). Można było je ściskać do 1/4 grubości początkowej, nie powodując nieodwracalnej deformacji.
Domieszka siarki powodowała powstawanie defektów na powierzchni nanorurek. Umożliwiło to przyłączenie atomów żelaza z ferrocenu, dzięki czemu gąbki mogły być sterowane i napędzane magnetycznie, bez bezpośredniego kontaktu. Naukowcy wykazali, że stworzone przez nich szkielety z CNT skutecznie usuwały z wody toksyczny rozpuszczalnik organiczny – dichlorobenzen. Ilość pochłoniętej substancji była 3,5-krotnie większa niż poziom osiągnięty do tej pory. Wysokie zdefektowanie struktur pozwoliło także na wchłonięcie oleju roślinnego (w ilości przekraczającej 150-krotnie wyjściową wagę gąbki) oraz oleju silnikowego, nieco lepiej niż wskazywały na to dotychczasowe doniesienia. Jak twierdzą autorzy, konstrukcje można używać wielokrotnie, wystarczy je zwyczajnie “wyciskać”.
Na udoskonalone właściwości gąbek wpływa duża ilość porów (otworów) i chropowata powierzchnia nanorurek węglowych. Kolejnym etapem badań naukowców będzie usprawnienie procesu syntezy w taki sposób, aby gąbki mogły być produkowane na skalę przemysłową. Konieczne będzie również zbadanie ich toksyczności, zanim wejdą one do powszechnego użycia.
Źródło:
[1] L. Camilli, C. Pisani, E. Gautron, M. Scarselli, P. Castrucci, F. D’Orazio, M. Passacantando, D. Moscone, M. De Crescenzi. A three-dimensional carbon nanotube network for water treatment.
Nanotechnology, 2014; 25 (6): 065701 DOI: 10.1088/0957-4484/25/6/065701
[2] http://www.iop.org/news/14/jan/page_62331.html [04.02.2014]
[3] http://iopscience.iop.org/0957-4484/25/6/065701/ [04.02.2014]
[4] http://www.kurzweilai.net/carbon-nanotube-sponge-shows-improved-water-clean-up [04.02.2014]
[5] Oil Spill by DVIDSHUB, flickr.com, CC BY 2.0