Металлические супергерои, улавливающие ядовитый мышьяк из воды
Загрязнение воды - очень серьезная проблема, поскольку от нее страдают миллионы людей по всему миру. Мышьяк - это высокотоксичный металл, употребление которого может вызвать серьезные проблемы со здоровьем. Вещества, называемые оксидами металлов, могут помочь удалить из воды такие загрязняющие вещества, как мышьяк, а недавно исследователи показали, что эти супергерои становятся еще более могущественными, если их объединить. В аниме супергерои Гоку и Вегета могут объединяться, чтобы стать Гогетой, и когда они это делают, их сила возрастает. Точно так же объединение оксидов металлов - это суперспособность, которая может спасти мир от ядовитого мышьяка благодаря механизму захвата, называемому адсорбцией. В этой статье мы расскажем, что такое мышьяк, как он может влиять на человека и как оксиды металлов могут в конечном итоге помочь нам производить более безопасную воду.
Вода: Важна для всех живых существ
Вода - один из важнейших природных ресурсов. Она имеет решающее значение для выживания живых существ и развития общества. Однако вода распределена по миру неравномерно: в одних регионах она чрезвычайно влажная, в других - очень сухая. Кроме того, спрос на воду растет по мере увеличения численности населения. Для удовлетворения растущих потребностей используются технологии, позволяющие добывать воду из гораздо более глубоких водоносных горизонтов. Однако эта вода часто содержит высокую концентрацию таких веществ, как мышьяк, из пород, окружающих водоносные горизонты, что делает ее непригодной для питья. В то же время деятельность человека также способствовала загрязнению воды такими элементами, как мышьяк, ртуть, кадмий, хром и свинец. Среди этих элементов мышьяк представляется наиболее токсичным для человека и других животных [ 1 ].
Что такое мышьяк и как он влияет на человека?
Мышьяк - это природный элемент земной коры, который содержится в воздухе, воде и почве. Мышьяк может существовать в двух формах: органической и неорганической. Неорганические соединения мышьяка, содержащиеся в воде, очень токсичны, в то время как органические соединения менее токсичны и содержатся в рыбе и моллюсках. Воздействие высоких уровней неорганического мышьяка обычно происходит при питье загрязненной воды или использовании загрязненной воды для приготовления пищи и полива продовольственных культур. Воздействие мышьяка на человека стало одной из основных глобальных проблем.
Длительное употребление загрязненной мышьяком воды, даже в очень малых количествах, может представлять опасность для здоровья (рис. 1) [ 2 ]. По данным Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ), воздействие низких количеств мышьяка в течение~5 лет может вызвать изменения пигментации кожи, кожные поражения и толстые мозоли на ладонях и подошвах ног. Кроме того, мышьяк может вызывать рак кожи, мочевого пузыря и легких. ВОЗ рекомендует ограничить содержание неорганического мышьяка в воде для потребления человеком до 10 микрограммов на литр (мкг/л). По всему миру поступают сообщения о естественном загрязнении подземных вод мышьяком, причем его концентрация значительно превышает максимально допустимый предел. Сообщалось о концентрации мышьяка до 25 мкг/л в грунтовых водах в некоторых районах Мексики [ 3 ]. В других странах, таких как Боливия, Бангладеш, Камбоджа, Тайвань, Пакистан, Таиланд и Вьетнам, в грунтовых водах были обнаружены концентрации мышьяка 45,9, 4600, 178, 1800, 2580, 5000 и 159 мкг/л, соответственно [3].
Оксиды металлов: Герои на помощь
Оксиды металлов - это соединения, которые образуются в результате соединения металла с неметаллом, например, с кислородом. Красноватая порошкообразная ржавчина, которую вы могли видеть на металлических предметах, оставленных на открытом воздухе, является примером оксида металла. Когда оксиды металлов помещают в воду, их поверхность может прилипать к загрязняющим веществам, имеющим отрицательный заряд, например к мышьяку. Это свойство интересно исследователям, поскольку означает, что оксиды металлов могут очищать воду, удаляя из нее загрязняющие вещества. Например, металлические оксиды церия (CeOx) и железа (FeOx) хорошо справляются с удалением мышьяка из воды.
Если вы знакомы с аниме Dragon Ball, то можете представить, что Гоку - это CeOx а Вегета - FeOx. Оба оксида способны улавливать различные загрязнения из воды, в том числе мышьяк, точно так же, как Гоку и Вегета способны победить злодеев, угрожающих благополучию Земли. Возможно, вы помните, что Гоку изучает технику, известную как Танец слияния, которая может объединить два тела в единое существо. Точно так же в последние годы наблюдается особый интерес к объединению оксидов металлов для удаления мышьяка из воды. Это объясняется тем, что биметаллические оксиды еще лучше удаляют загрязняющие вещества из воды, чем любой из них сам по себе [ 4 ]. Другими словами, металлические оксиды CeOx и FeOx увеличивают свою способность улавливать мышьяк, объединяясь и образуя CeOx:FeOxчто аналогично тому, как Гоку и Вегета, объединившись в Гогету, увеличивают свои силы, чтобы победить злых существ, угрожающих Земле. Чтобы достичь этого, Гоку и Вегета должны идеально совместить пальцы, а положение их ног и рук должно иметь одинаковый угол (рис. 2A).
Для создания биметаллических оксидов исследователям важно определить оптимальные параметры, такие как температура, давление и концентрация каждого оксида металла (рис. 2B).
На рисунке 2C показана структура этих материалов, полученная с помощью сканирующей электронной микроскопии (СЭМ). Оксиды церия (CeOx) имеют октаэдрическую (восьмистороннюю) структуру, а оксиды железа (FeOx) выглядят как цветообразные структуры. Однако биметаллический оксид (CeOx:FeOx) имеет совершенно другую структуру, которая выглядит как куча крошечных иголок, слипшихся в облакоподобные формы [ 5 ]. СЭМ-микрофотография CeOx:FeOx (Гогета) показывает множество крошечных ответвлений, обеспечивающих большую площадь поверхности для прилипания мышьяка.
Как биметаллические оксиды удаляют мышьяк из воды?
Броли - очень сильный злодей, и даже когда он был совсем маленьким, его огромная сила вызывала страх у окружающих. Как и Броли, мышьяк опасен тем, что даже в очень низких концентрациях может нанести серьезный вред человеку. Поэтому Гоку (CeOx) и Вегета (FeOx) объединяют свои усилия, чтобы победить могущественного злодея Броли (мышьяк). Биметаллические оксиды удаляют мышьяк с помощью процесса, называемого адсорбцией. Адсорбция - это процесс, в котором одно или несколько веществ, присутствующих в жидкости (жидкости или газе), накапливаются на поверхности и таким образом удаляются из жидкости. По сути, части молекул биметаллического оксида замещаются мышьяком в результате реакции, называемой лигандным обменом (рис. 3). Как только мышьяк связывается с биметаллическим оксидом, он удаляется из воды, а молекулы воды образуются в результате реакции [5]. В результате получается вода, свободная от мышьяка и соответствующая максимальному пределу в 10 мкг/л, рекомендованному ВОЗ.
Как биметаллические оксиды будут использоваться для очистки воды?
Научные достижения в области синтеза адсорбирующих материалов, таких как CeOx:FeOxне только решить экологическую проблему (загрязнение водоносных горизонтов мышьяком), но и предотвратить отравление животных и людей. Биметаллические оксиды весьма перспективны для удаления различных загрязнителей из воды, однако их крупномасштабное использование остается весьма сложной задачей. В настоящее время крошечный размер этих оксидов металлов затрудняет их использование в типичных системах фильтрации воды. Ученые работают над тем, чтобы прикрепить биметаллические оксиды к матрице, подобной строительным лесам, что позволит использовать их для очистки воды [ 6 ]. Предстоит еще много работы, чтобы продолжить разработку новых эффективных материалов, способных бороться с загрязнением воды и защищать здоровье окружающей среды и человечества.
