Het reinigen van verontreinigende stoffen uit water met een defect filter klinkt als een niet-starter, maar een recent onderzoek door chemische ingenieurs van Rice University ontdekte dat de defecten van de juiste grootte een moleculaire zeef hielpen om meer perfluoroctaansulfonzuur (PFOS) in minder tijd op te nemen.

In een studie in het tijdschrift American Chemical Society ACS Duurzame Chemie en Engineering , Rice University-onderzoekers Michael Wong, Chelsea Clark en collega's toonden aan dat een zeer poreuze, Zwitsers kaasachtig nanomateriaal, een metaal-organisch raamwerk (MOF) genoemd, was sneller in het opnemen van PFOS uit vervuild water, en dat het meer PFOS zou kunnen bevatten, toen extra gaten ter grootte van een nanometer ("defecten") in de MOF werden ingebouwd.

PFOS werd decennialang gebruikt in consumentenproducten zoals vlekbestendige stoffen en is het bekendste lid van een familie van giftige chemicaliën die "per- en polyfluoralkylstoffen" (PFAS) worden genoemd. die de Environmental Protection Agency (EPA) beschrijft als "zeer persistent in het milieu en in het menselijk lichaam - wat betekent dat ze niet afbreken en zich in de loop van de tijd kunnen ophopen."

Wong, professor en voorzitter van Rice's Department of Chemical and Biomoleculaire Engineering en een professor in de chemie, zei, "We zetten een stap in de goede richting in de richting van het ontwikkelen van materialen die industrieel afvalwater effectief kunnen behandelen in het niveau van delen per miljard en delen per miljoen van de totale PFAS-verontreiniging, dat is heel moeilijk te doen met de huidige technologieën zoals actieve kool in korrelvorm of systemen op basis van actief slib."

Wong zei MOF's, driedimensionale structuren die zichzelf assembleren wanneer metaalionen interageren met organische moleculen die linkers worden genoemd, leken goede kandidaten voor PFAS-sanering omdat ze zeer poreus zijn en in eerdere toepassingen zijn gebruikt om aanzienlijke hoeveelheden specifieke doelmoleculen te absorberen en vast te houden. Sommige MOF's, bijvoorbeeld, een oppervlakte groter dan een voetbalveld per gram hebben, en meer dan 20, 000 soorten MOF's zijn gedocumenteerd. In aanvulling, scheikundigen kunnen MOF-eigenschappen afstemmen - hun structuur variëren, poriegroottes en functies - door te sleutelen aan de synthese, of chemisch recept dat ze produceert.

Dat was het geval met het PFAS-sorptiemiddel van Rice. Clark, een afgestudeerde student in Wong's Catalysis and Nanomaterials Laboratory, begon met een goed gekarakteriseerde MOF genaamd UiO-66, en voerde tientallen experimenten uit om te zien hoe verschillende concentraties zoutzuur de eigenschappen van het eindproduct veranderden. Ze ontdekte dat ze met de methode structurele defecten van verschillende groottes kon introduceren, zoals het maken van Zwitserse kaas met extra grote gaten.

"De defecten met grote poriën zijn in wezen hun eigen sites voor PFOS-adsorptie via hydrofobe interacties, " zei Clark. "Ze verbeteren het adsorptiegedrag door de ruimte voor de PFOS-moleculen te vergroten."

Clark testte varianten van UiO-66 met verschillende maten en hoeveelheden defecten om te bepalen welke variëteit de meeste PFAS opzuigde uit zwaar vervuild water in de minste tijd.

"Wij geloven dat het introduceren van willekeurige, defecten met grote poriën terwijl tegelijkertijd het grootste deel van de poreuze structuur behouden bleef, speelde een grote rol bij het verbeteren van de adsorptiecapaciteit van de MOF, "zei ze. "Dit handhaafde ook de snelle adsorptiekinetiek, wat erg belangrijk is voor afvalwatersaneringstoepassingen waar de contacttijden kort zijn."

Wong zei dat de focus van het onderzoek op industriële concentraties van PFAS het onderscheidt van het meeste eerder gepubliceerde werk, die zich heeft gericht op het reinigen van vervuild drinkwater om te voldoen aan de huidige federale normen van 70 delen per biljoen. Hoewel behandelingstechnologieën zoals actieve kool en ionenuitwisselingsharsen effectief kunnen zijn voor het verwijderen van lage concentraties PFAS uit drinkwater, ze zijn veel minder effectief voor de behandeling van industrieel afval met een hoge concentratie.

Hoewel het gebruik van PFAS sinds 2009 sterk wordt beperkt door internationale verdragen, de chemicaliën worden nog steeds gebruikt bij de productie van halfgeleiders en bij het verchromen, waar afvalwater wel één gram PFAS per liter water kan bevatten, of ongeveer 14 miljard keer de huidige EPA-limiet voor veilig drinkwater.

"In het algemeen voor op koolstof gebaseerde materialen en ionenuitwisselingsharsen, er is een wisselwerking tussen adsorptiecapaciteit en adsorptiesnelheid naarmate u de poriegrootte van het materiaal vergroot, " zei Wong. "Met andere woorden, hoe meer PFAS een materiaal kan opnemen en vasthouden, hoe langer het duurt om te tanken. In aanvulling, Van op koolstof gebaseerde materialen is aangetoond dat ze meestal niet effectief zijn bij het verwijderen van PFAS's met een kortere keten uit afvalwater.

"We ontdekten dat ons materiaal een hoge capaciteit en snelle adsorptiekinetiek combineert en ook effectief is voor zowel lange- als korteketenperfluoralkylsulfonaten, " hij zei.

Wong zei dat het qua kosten moeilijk is om op koolstof gebaseerde materialen te verslaan, omdat actieve kool al tientallen jaren een steunpilaar is voor milieufiltratie.

"Maar het is mogelijk als MOF's op voldoende grote schaal worden geproduceerd, " zei hij. "Er zijn een paar bedrijven die de productie van UiO-66 op commerciële schaal onderzoeken, dat is een van de redenen waarom we ervoor hebben gekozen om ermee te werken in dit onderzoek."