Defekter hjælper nanomateriale til at opsuge mere forurenende stoffer på kortere tid

At rense forurenende stoffer fra vand med et defekt filter lyder som en ikke-starter, men en nylig undersøgelse foretaget af kemiingeniører ved Rice University viste, at de rigtige defekter hjalp en molekylsigt til at opsuge mere perfluoroctansulfonsyre (PFOS) på kortere tid.

I en undersøgelse i tidsskriftet American Chemical Society ACS Sustainable Chemistry and Engineering , Rice University -forskere Michael Wong, Chelsea Clark og kolleger viste, at en meget porøs, Schweizisk ost-lignende nanomateriale kaldet en metal-organisk ramme (MOF) var hurtigere til at opsuge PFOS fra forurenet vand, og at det kunne indeholde mere PFOS, når yderligere huller i nanometerstørrelse ("defekter") blev indbygget i MOF'en.

PFOS blev brugt i årtier i forbrugerprodukter som pletbestandige stoffer og er det bedst kendte medlem af en familie af giftige kemikalier kaldet "per- og polyfluoralkylstoffer" (PFAS), som Environmental Protection Agency (EPA) beskriver som "meget persistent i miljøet og i den menneskelige krop - hvilket betyder, at de ikke nedbrydes, og de kan akkumulere over tid."

Wong, professor og formand for Rices afdeling for kemisk og biomolekylær teknik og professor i kemi, sagde, "Vi tager et skridt i den rigtige retning mod at udvikle materialer, der effektivt kan behandle industrielt spildevand i dele-per-milliard- og dele-per-million-niveauet af den samlede PFAS-forurening, hvilket er meget svært at gøre ved hjælp af nuværende teknologier som granuleret aktivt kul eller aktiveret slambaserede systemer. "

Wong sagde MOF'er, tredimensionelle strukturer, der samler sig selv, når metalioner interagerer med organiske molekyler kaldet linkere, virkede som gode kandidater til PFAS-remediering, fordi de er meget porøse og er blevet brugt til at absorbere og holde betydelige mængder af specifikke målmolekyler i tidligere applikationer. Nogle MOF'er, for eksempel, have et overfladeareal større end en fodboldbane pr. gram, og mere end 20, 000 slags MOF'er er dokumenteret. Ud over, kemikere kan justere MOF-egenskaber - varierende deres struktur, porestørrelser og funktioner - ved at pille ved syntesen, eller kemisk opskrift, der producerer dem.

Sådan var det med Rices PFAS -sorbent. Clark, en kandidatstuderende i Wong's Catalysis and Nanomaterials Laboratory, begyndte med en velkarakteriseret MOF kaldet UiO-66, og udførte snesevis af eksperimenter for at se, hvordan forskellige koncentrationer af saltsyre ændrede egenskaberne af det endelige produkt. Hun fandt ud af, at hun kunne introducere strukturelle defekter af forskellige størrelser med metoden - som at lave schweizerost med ekstra store huller.

"De store poredefekter er i det væsentlige deres egne steder for PFOS-adsorption via hydrofobe interaktioner, " sagde Clark. "De forbedrer adsorptionsadfærden ved at øge pladsen til PFOS-molekylerne."

Clark testede varianter af UiO-66 med forskellige størrelser og mængder af defekter for at bestemme, hvilken sort der opsugede mest PFAS fra stærkt forurenet vand på mindst tid.

"Vi tror på, at indførelsen af ​​tilfældig, store poredefekter, samtidig med at størstedelen af ​​den porøse struktur bibeholdt, spillede en stor rolle i at forbedre adsorptionskapaciteten af ​​MOF, " sagde hun. "Dette bibeholdt også den hurtige adsorptionskinetik, hvilket er meget vigtigt for spildevandsrensningsapplikationer, hvor kontakttider er korte."

Wong sagde, at undersøgelsens fokus på industrielle koncentrationer af PFAS adskiller det fra de fleste tidligere publicerede værker, som har fokuseret på rensning af forurenet drikkevand for at opfylde de nuværende føderale standarder på 70 dele pr. billion. Mens behandlingsteknologier som aktivt kul og ionbytterharpikser kan være effektive til at rense lave koncentrationer af PFAS fra drikkevand, de er langt mindre effektive til behandling af højkoncentreret industriaffald.

Selvom brugen af ​​PFAS har været stærkt begrænset af internationale traktater siden 2009, kemikalierne bruges stadig i halvlederfremstilling og forkromning, hvor spildevand kan indeholde så meget som et gram PFAS pr. liter vand, eller omkring 14 milliarder gange den nuværende EPA-grænse for sikkert drikkevand.

"Generelt for kulstofbaserede materialer og ionbytterharpikser, der er en afvejning mellem adsorptionskapacitet og adsorptionshastighed, når du øger materialets porestørrelse, " sagde Wong. "Med andre ord, jo mere PFAS et materiale kan opsuge og fange, jo længere tid tager det at fylde op. Ud over, kulstofbaserede materialer har vist sig at være for det meste ineffektive til at fjerne kortkædede PFAS'er fra spildevand.

"Vi fandt ud af, at vores materiale kombinerer høj kapacitet og hurtig adsorptionskinetik og også er effektivt til både lang- og kortkædede perfluoralkylsulfonater, " han sagde.

Wong sagde, at det er svært at slå kulstofbaserede materialer med hensyn til omkostninger, fordi aktivt kul har været en grundpille for miljøfiltrering i årtier.

"Men det er muligt, hvis MOF'er bliver produceret i stor nok skala, " sagde han. "Der er nogle få virksomheder, der ser på produktion af UiO-66 i kommerciel skala, hvilket er en af ​​grundene til, at vi valgte at arbejde med det i denne undersøgelse. "