ทีมวิจัยจากสหรัฐอเมริกาได้พัฒนาวัสดุรูปฟองน้ำเพื่อดักจับธาตุหายากจากน้ำเสียอุตสาหกรรม

นักวิจัยจากสหรัฐอเมริกาได้พัฒนาวัสดุรูปฟองน้ำเพื่อดักจับธาตุหายากจากน้ำเสียอุตสาหกรรม ทีมงานจากมหาวิทยาลัยในสวิตเซอร์แลนด์ไม่ได้มองว่าน้ำเสียเป็นเพียงสิ่งที่ต้องจัดการ แต่กลับมองว่าเป็นแหล่งทรัพยากรที่สามารถนำกลับมาใช้ใหม่ได้สำหรับวัสดุธาตุหายากที่มีค่า นวัตกรรมนี้อาจเปิดโอกาสในการรีไซเคิลแร่ธาตุสำคัญที่มีอยู่จำกัดในพื้นที่ต่างๆ ศาสตราจารย์ Karl F. Hasselman จากภาควิชาวิศวกรรมโยธาและสิ่งแวดล้อมของมหาวิทยาลัยในสวิตเซอร์แลนด์ และผู้เขียนสื่อสารของการศึกษา กล่าวไว้ว่า "เราสามารถเริ่มมองว่าน้ำเสียอุตสาหกรรมเป็นแหล่งทรัพยากรที่มีวัสดุมีค่าที่สามารถนำกลับมาใช้ใหม่ได้ แทนที่จะมองว่าเป็นเพียงสิ่งที่ต้องจัดการ"

เทคโนโลยีโลหะอินทรีย์กรอบ

แนวคิดของเคมีการประสานโลหะฟังดูง่าย แต่ในความเป็นจริงไม่ง่ายเลย นอกจากธาตุหายากแล้ว น้ำเสียอุตสาหกรรมยังมีโลหะอื่นๆ เช่น เหล็ก โซเดียม และอะลูมิเนียม ซึ่งมีความเข้มข้นสูงมาก ความเข้มข้นเหล่านี้ทำให้การแยกธาตุในปริมาณน้อยกลายเป็นเรื่องยาก จึงมักจะรบกวนการรีไซเคิลธาตุหายากที่มีค่า เพื่อเอาชนะความท้าทายนี้ นักวิจัยได้ใช้หลักการของเคมีการประสานเพื่อสร้างฟิล์มที่มีรูพรุนมาก วิธีการนี้ใช้โลหะอินทรีย์กรอบ (MOFs) ซึ่งเป็นวัสดุที่มีรูพรุนสูงที่เกิดจากการเชื่อมโยงอะตอมโลหะกับโมเลกุลอินทรีย์

นักวิทยาศาสตร์ได้ทำการปรับเปลี่ยนทางเคมีที่ผนังของรูขนาดเล็กเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพ

ในการทดลอง MOF ที่มีเสถียรภาพในน้ำได้รับการปรับเปลี่ยนให้เป็นลิแกนด์อินทรีย์ ฟอสฟอรีนเมทิลไดเอมีน (PMIDA) ในรูขนาดเล็กของ MOF PMIDA ทำหน้าที่เหมือนตะขอเคมีที่มีปฏิกิริยากับไอออนธาตุหายากที่มีประจุบวกอย่างรุนแรง ทีมวิจัยได้ทดสอบความสามารถในการดักจับของวัสดุที่มีรูพรุนสูงนี้กับธาตุหายากสามชนิด ได้แก่ เนียม โมลิบดีนัม และธอเรียม ที่ความเข้มข้นสูงสุดของลิแกนด์ PMIDA สามารถดักจับได้ถึง 160 มิลลิกรัมของเนียม 175 มิลลิกรัมของโมลิบดีนัม และ 195 มิลลิกรัมของธอเรียมต่อวัสดุ 1 กรัม ความสามารถในการรีไซเคิลนี้สูงกว่าที่รายงานในวิธีการที่คล้ายกันอย่างน้อยสองเท่า

การเพิ่มปริมาณลิแกนด์ PMIDA ทำให้ประสิทธิภาพโดยรวมของวัสดุเพิ่มขึ้น และยังช่วยเพิ่มประสิทธิภาพโดยการเปลี่ยนจุดเชื่อมต่อที่มีอยู่

ผลการจำลองแสดงให้เห็นว่าการเพิ่มลิแกนด์เพิ่มเติมทำให้กลุ่มเชื่อมต่อสามารถรวมตัวกันรอบๆ ไอออนธาตุหายากแต่ละตัวในรู การจัดเรียงนี้สร้างสารประกอบที่มีความแข็งแรงและเสถียรภาพมากขึ้นเพื่อเพิ่มความจุและเสถียรภาพของโครงสร้าง ศาสตราจารย์ Liu กล่าวว่า "สิ่งที่น่าสนใจคือ เราไม่เพียงแต่สามารถเห็นวัสดุดักจับธาตุหายากได้ แต่ยังเข้าใจว่าทำไมถึงเป็นเช่นนั้น ด้วยการรวมการทดลองเข้ากับการจำลองโมเลกุล เราสามารถมองเข้าไปในรูและเข้าใจว่าการเปลี่ยนแปลงจำนวนลิแกนด์ส่งผลต่อวิธีการเชื่อมต่อของไอออนเหล่านี้อย่างไร"

ความสามารถในการดักจับเลือกวัสดุ

การค้นพบที่สำคัญอีกประการหนึ่งคือวัสดุสามารถดักจับธาตุโลหะหายากได้อย่างมีประสิทธิภาพและเลือกสรรแม้ในสภาวะที่มีวัสดุที่ไม่ต้องการ (เช่น เหล็ก) ทีมวิจัยรายงานว่า แม้ว่าเหล็กจะมีความเข้มข้นสูงถึง 100 เท่าของธาตุหายาก การดูดซึมธาตุหายากยังคงลดลงเพียงประมาณ 0.3% ในการทดสอบครั้งหนึ่ง การดูดซึมธาตุหายากลดลงเพียงประมาณ 0.3% เมื่อไม่มีเหล็ก นอกจากเทคนิคการดักจับแล้ว นักวิจัยยังได้ตรวจสอบการปล่อยธาตุในปริมาณน้อย การใช้กรดเกลือเจือจางในการบำบัดเล็กน้อยสามารถสกัดธาตุในปริมาณน้อยได้ง่าย ทำให้วัสดุมีค่าเหล่านี้สามารถนำกลับมาใช้ใหม่ได้

นี่เป็นเพียงจุดเริ่มต้น ยังต้องมีการวิจัยเพิ่มเติมเพื่อเพิ่มความสามารถในการเลือกสรร ความทนทาน และความสามารถในการฟื้นฟูของวัสดุในกระบวนการสกัด อย่างไรก็ตาม ทีมงานยังคงมองโลกในแง่ดีเกี่ยวกับ MOFs เนื่องจากวัสดุเหล่านี้อาจให้ทางเลือกที่ยั่งยืนมากขึ้นสำหรับวิธีการสกัดธาตุหายากแบบของเหลว-ของเหลว การศึกษานี้ได้เผยแพร่ในวารสาร ACS Applied Materials & Interfaces

ศักยภาพของวัสดุฟองน้ำในการรีไซเคิลที่เป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อม

การศึกษานี้แสดงให้เห็นถึงการประยุกต์ใช้วัสดุรูปฟองน้ำในกระบวนการบำบัดน้ำเสียอุตสาหกรรม โดยเฉพาะในการรีไซเคิลธาตุหายาก เมื่อความต้องการธาตุหายากในระดับโลกเพิ่มขึ้น วิธีการสกัดแบบดั้งเดิมเผชิญกับความท้าทายด้านผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อมและการสูญเสียทรัพยากร วัสดุใหม่นี้ไม่เพียงแต่สามารถดักจับธาตุหายากได้อย่างมีประสิทธิภาพ แต่ยังสามารถรักษาประสิทธิภาพในสภาวะที่มีโลหะอื่นๆ แสดงให้เห็นถึงศักยภาพในการใช้งานจริง การวิจัยในอนาคตจะยิ่งพัฒนาประสิทธิภาพเพื่อรองรับความต้องการในการรีไซเคิลทรัพยากรที่เพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่อง