Nanoporøst materiale samler forurening fra vand

Knap synligt materiale, der ligner bittesmå sandkorn, kan være nøglen til at fjerne en usynlig sundhedstrussel, der har forurenet vandforsyninger over hele landet. Forskere ved Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) har med succes testet meget porøse materialer og fundet ud af, at de kan absorbere nøglekomponenter i en klasse af giftige kemikalier, der findes i 43 stater.

Materialeforskere hos PNNL er eksperter i at optimere metalorganiske rammer eller MOF'er. Disse porøse materialer i nanostørrelse, med metalcentre, kan tiltrække, holde, og derefter frigive specifikke kemikalier. PNNL-forskere demonstrerede for nylig en MOF, der hurtigt optager fluorholdige forbindelser, der blev meget brugt i brandslukningsskum og non-stick køkkengrej.

Disse per- og polyfluoralkylstoffer (PFAS) modstår fedt og vand, så de er blevet brugt i noget mademballage, pletbestandige stoffer og tæpper, og kosmetik. Forurening af drikkevand er typisk forbundet med en specifik facilitet som en produktionsfabrik eller militærbase. PFAS nedbrydes ikke i miljøet eller i menneskekroppe.

Ifølge Centers for Disease Control and Prevention, der er behov for mere forskning i sundhedseffekter, men visse menneskelige undersøgelser har vist, at en vis eksponering kan påvirke væksten, læring, og adfærd hos spædbørn og ældre børn, sænke en kvindes chance for at blive gravid, forstyrre kroppens naturlige hormoner, øge kolesterolniveauet, påvirker immunsystemet, og øger risikoen for kræft.

Miljøstyrelsen anbefaler, at koncentrationen i drikkevand begrænses til 70 dele pr. billion for to af de mest almindelige forbindelser i klassen:perfluoroctansulfonat (PFOS) og perfluoroctansyre (PFOA).

Net forurening ud af vandet

Med mere end 20 års erfaring med at arbejde med MOF'er, PNNL-forskerholdet byggede på tidligere forskning og antog, at en MOF med de helt rigtige egenskaber kunne adsorbere PFOS fra vand.

"Vi er glade for at finde en MOF, der viste fremragende fangstevner ved høje koncentrationer af PFOS, " sagde Radha Motkuri, som leder materialeudviklingsteamet. "Vi begyndte med to MOF-kandidater - en med et jerncenter og en anden med krom. De indre strukturer fungerer som små metalkroge, der gør det muligt for materialet at holde PFAS-forbindelser."

Begge MOF'er fungerede meget bedre end eksisterende teknologi, som hovedsageligt består af granulære aktivt kulfiltre. Men i laboratorietest rapporteret for nylig i Uorganisk kemi , den krombaserede MOF havde en ekstremt hurtig opsamlingshastighed - sandsynligvis på grund af dens ensartede porer, meget aktive sorbentsteder, og interne kanaler.

Fang og slip

"Der er en meget høj kemisk affinitet med chrom, der tiltrækker svovlhovedgruppen og fluorhalen på PFOS som observeret ved vores røntgenfotoelektronspektroskopimålinger, " sagde den tilsvarende forfatter Dev Chatterjee. "Det er en af ​​grundene til, at det fungerer så godt sammenlignet med eksisterende aktivt kulfiltre."

Både de krom- og jernbaserede MOF'er er stabile i vand. Det er vigtigt, fordi de kan skylles med ferskvand for at fjerne PFOS, plus forskere vurderer, at materialet kan genbruges op til hundredvis af gange.

MOF'er kan opfattes som et metallisk mesh - snarere som et fiskenet - der øser PFOS op, mens de lader andre molekyler passere igennem baseret på specifikke parametre.

"Det er evnen til at skræddersy egenskaber såsom porestørrelse, aktive sider, orientering og den MOF-kemiske interaktion, der gør PNNL-teamets ekspertise i MOF'er så værdifuld." sagde Jennifer Lee, PNNL kommercialiseringschef. "Dette betyder, at andre MOF'er kan modificeres til mange yderligere forurenende stoffer og anvendelser."

Absorberende resultater

For at observere præstationen, PFOS blev kombineret uafhængigt i 5-millimeter hætteglas med jern MOF, krom MOF, eller det granulære aktiverede kul i et ekstremt følsomt spektrometer, der viste koncentrationen af ​​PFOS over tid. Den chrombaserede MOF adsorberede næsten fuldstændigt forureningen inden for få sekunder. Der var ringe eller ingen reduktion ved anvendelse af det kommercielt tilgængelige aktiverede kul.

"Rent rent vand er så vigtigt for hele menneskeheden, " sagde Motkuri. "Vi forestiller os et felt-deployerbart system, hvor vand en dag ville løbe igennem, forurenende stoffer ville blive fanget af MOF, og rent vand ville komme ud."

Chatterjee og resten af ​​holdet er ved at udvikle en patentanmeldt MOF-baseret elektrokemisk sensor, der vil registrere ultrasporniveauer af PFAS-kontamination og også hjælpe med at guide oprydningsoperationer.

Kernemagnetisk resonans og røntgenfotoelektronspektrometeranalyser blev udført ved EMSL, det miljømolekylære laboratorium, en DOE Office of Science brugerfacilitet hos PNNL.