Nauwelijks zichtbaar materiaal dat eruitziet als kleine zandkorrels, kan de sleutel zijn tot het verwijderen van een onzichtbare bedreiging voor de gezondheid die de watervoorraden in het hele land heeft vervuild. Onderzoekers van het Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) hebben met succes zeer poreuze materialen getest en ontdekten dat ze belangrijke componenten van een klasse giftige chemicaliën kunnen absorberen die in 43 staten worden aangetroffen.

Materiaalwetenschappers bij PNNL zijn experts in het optimaliseren van metaalorganische raamwerken of MOF's. Deze poreuze materialen van nanoformaat, met metalen centra, kan aantrekken, uitstel, en laat later specifieke chemicaliën vrij. Onderzoekers van PNNL hebben onlangs een MOF gedemonstreerd die snel fluorverbindingen opneemt die veel werden gebruikt in blusschuim en kookgerei met antiaanbaklaag.

Deze per- en polyfluoralkylstoffen (PFAS) zijn bestand tegen vet en water, dus ze zijn gebruikt in sommige voedselverpakkingen, vlekbestendige stoffen en tapijten, en cosmetica. Verontreiniging van drinkwater wordt meestal geassocieerd met een specifieke faciliteit zoals een fabriek of een militaire basis. PFAS worden niet afgebroken in het milieu of in menselijke lichamen.

Volgens de Centers for Disease Control and Prevention, er is meer onderzoek nodig naar gezondheidseffecten, maar bepaalde studies bij mensen hebben aangetoond dat enige blootstelling de groei kan beïnvloeden, aan het leren, en gedrag van zuigelingen en oudere kinderen, de kans van een vrouw om zwanger te raken verlagen, interfereren met de natuurlijke hormonen van het lichaam, cholesterolgehalte verhogen, het immuunsysteem aantasten, en het risico op kanker verhogen.

De Environmental Protection Agency adviseert om de concentratie in drinkwater te beperken tot 70 delen per biljoen voor twee van de meest voorkomende verbindingen in de klasse:perfluoroctaansulfonaat (PFOS) en perfluoroctaanzuur (PFOA).

Vervuiling uit het water halen

Met meer dan 20 jaar ervaring in het werken met MOF's, het PNNL-onderzoeksteam bouwde voort op eerder onderzoek en veronderstelde dat een MOF met precies de juiste kenmerken PFOS uit water zou kunnen adsorberen.

"We zijn verheugd een MOF te vinden die uitstekende opnamemogelijkheden vertoonde bij hoge concentraties PFOS, " zei Radha Motkuri, die het materiaalontwikkelingsteam leidt. "We zijn begonnen met twee MOF-kandidaten - een met een ijzeren centrum en een andere met chroom. De interne structuren werken als kleine metalen 'haken' waardoor het materiaal PFAS-verbindingen kan vasthouden."

Beide MOF's werkten veel beter dan de bestaande technologie, die voornamelijk bestaat uit korrelige actieve koolfilters. Maar in laboratoriumtests die onlangs zijn gerapporteerd in Anorganische scheikunde , de op chroom gebaseerde MOF had een extreem snelle opnamesnelheid - waarschijnlijk vanwege de uniforme poriën, zeer actieve sorptieplaatsen, en interne kanalen.

Vangen en loslaten

"Er is een zeer hoge chemische affiniteit met het chroom dat de zwavelkopgroep en fluorstaart op PFOS aantrekt, zoals waargenomen door onze röntgenfoto-elektronspectroscopiemetingen, "zei de corresponderende auteur Dev Chatterjee. "Dat is een reden dat het zo goed werkt in vergelijking met bestaande actieve koolfilters."

Zowel de op chroom als ijzer gebaseerde MOF's zijn stabiel in water. Dat is belangrijk omdat ze kunnen worden doorgespoeld met zoet water om de PFOS te verwijderen, plus onderzoekers schatten dat het materiaal tot honderden keren kan worden hergebruikt.

MOF's kunnen worden gezien als een metalen gaas - eerder als een visnet - dat PFOS opschept en andere moleculen doorlaat op basis van specifieke parameters.

"Het is het vermogen om kenmerken zoals poriegrootte, actieve sites, oriëntatie en de MOF-chemische interactie die de expertise van het PNNL-team op het gebied van MOF's zo waardevol maken", aldus Jennifer Lee, PNNL commercialisering manager. "Dit betekent dat andere MOF's kunnen worden aangepast voor veel extra verontreinigingen en toepassingen."

Absorberende resultaten

Om het optreden te observeren, PFOS werd onafhankelijk gecombineerd in flacons van 5 millimeter met de ijzeren MOF, de chroom MOF, of de korrelige actieve kool in een uiterst gevoelige spectrometer die de concentratie van PFOS in de loop van de tijd liet zien. De op chroom gebaseerde MOF absorbeerde de verontreiniging binnen enkele seconden bijna volledig. Er was weinig tot geen reductie bij gebruik van de in de handel verkrijgbare actieve kool.

"Puur schoon water is zo belangrijk voor de hele mensheid, " zei Motkuri. "We stellen ons een veldinzetbaar systeem voor waar op een dag water doorheen zou stromen, verontreinigingen zouden worden opgevangen door de MOF, en er zou schoon water uitkomen."

Chatterjee en de rest van het team ontwikkelen een op MOF gebaseerde elektrochemische sensor waarvoor patent is aangevraagd en die ultratrace-niveaus van PFAS-verontreiniging zou detecteren en ook zou helpen bij het begeleiden van opruimingsoperaties.

De kernmagnetische resonantie- en röntgenfoto-elektronspectrometeranalyses werden uitgevoerd bij EMSL, het Environmental Molecular Sciences Laboratory, een DOE Office of Science gebruikersfaciliteit bij PNNL.