Knappt synligt material som ser ut som små sandkorn kan hålla nyckeln till att ta bort ett osynligt hälsohot som har förorenat vattenförsörjningen över hela landet. Forskare vid Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) har framgångsrikt testat mycket porösa material och funnit att de kan absorbera nyckelkomponenter i en klass av giftiga kemikalier som finns i 43 stater.

Materialforskare vid PNNL är experter på att optimera metallorganiska ramverk eller MOF. Dessa porösa material i nanostorlek, med metallcentra, kan locka, håll, och sedan senare släppa ut specifika kemikalier. PNNL-forskare visade nyligen en MOF som snabbt tar upp fluorerade föreningar som användes i stor utsträckning i brandbekämpningsskum och kokkärl med non-stick.

Dessa per- och polyfluoralkylämnen (PFAS) motstår fett och vatten, så de har använts i vissa livsmedelsförpackningar, fläckbeständiga tyger och mattor, och kosmetika. Förorening av dricksvatten är vanligtvis förknippad med en specifik anläggning som en tillverkningsanläggning eller militärbas. PFAS bryts inte ner i miljön eller i människokroppar.

Enligt Centers for Disease Control and Prevention, mer forskning behövs om hälsoeffekter, men vissa mänskliga studier har visat att viss exponering kan påverka tillväxten, inlärning, och beteende hos spädbarn och äldre barn, minska en kvinnas chans att bli gravid, störa kroppens naturliga hormoner, öka kolesterolnivåerna, påverka immunförsvaret, och öka risken för cancer.

Naturvårdsverket rekommenderar att koncentrationen i dricksvatten begränsas till 70 delar per biljon för två av de vanligaste föreningarna i klassen:perfluoroktansulfonat (PFOS) och perfluoroktansyra (PFOA).

Nätföroreningar ur vattnet

Med mer än 20 års erfarenhet av att arbeta med MOF, PNNL-forskargruppen byggde på tidigare forskning och antog att en MOF med precis rätt egenskaper kunde adsorbera PFOS från vatten.

"Vi är glada över att hitta en MOF som visade utmärkta fångstförmåga vid höga koncentrationer av PFOS, sade Radha Motkuri, som leder materialutvecklingsteamet. "Vi började med två MOF-kandidater - en med ett järncentrum och en annan med krom. De inre strukturerna fungerar som små metallkrokar som gör att materialet kan hålla PFAS-föreningar."

Båda MOF:erna fungerade mycket bättre än befintlig teknik, som huvudsakligen består av granulära filter med aktivt kol. Men i labbtester som nyligen rapporterades in Oorganisk kemi , den krombaserade MOF hade en extremt snabb infångningshastighet - troligen på grund av dess enhetliga porer, högaktiva sorptionsställen, och interna kanaler.

Fånga och släpp

"Det finns en mycket hög kemisk affinitet med krom som attraherar svavelhuvudgruppen och fluorsvans på PFOS som observerats av våra röntgenfotoelektronspektroskopimätningar, " sa motsvarande författare Dev Chatterjee. "Det är en anledning till att det fungerar så bra jämfört med befintliga aktivt kolfilter."

Både de krom- och järnbaserade MOF:erna är stabila i vatten. Det är viktigt eftersom de kan spolas med färskvatten för att ta bort PFOS, plus forskare uppskattar att materialet kan återanvändas upp till hundratals gånger.

MOF kan ses som ett metallnät – snarare som ett fisknät – som öser upp PFOS samtidigt som de låter andra molekyler passera utifrån specifika parametrar.

"Det är förmågan att skräddarsy egenskaper som porstorlek, aktiva webbplatser, orientering och den MOF-kemiska interaktionen som gör PNNL-teamets expertis inom MOF så värdefull." sa Jennifer Lee, PNNL kommersialiseringsansvarig. "Detta innebär att andra MOF kan modifieras för många ytterligare föroreningar och användningsområden."

Absorberande resultat

För att observera prestandan, PFOS kombinerades oberoende i 5-millimeters flaskor med järn MOF, krom MOF, eller det granulära aktiverade kolet i en extremt känslig spektrometer som visade koncentrationen av PFOS över tid. Den krombaserade MOF adsorberade nästan fullständigt föroreningen inom några sekunder. Det var liten eller ingen minskning vid användning av det kommersiellt tillgängliga aktiverade kolet.

"Rent rent vatten är så viktigt för hela mänskligheten, ", sa Motkuri. "Vi föreställer oss ett system som kan användas på fältet där vatten en dag skulle rinna igenom, föroreningar skulle fångas upp av MOF, och rent vatten skulle komma ut."

Chatterjee och resten av teamet utvecklar en patentsökt MOF-baserad elektrokemisk sensor som skulle detektera ultraspårnivåer av PFAS-kontamination och som också skulle hjälpa till att vägleda saneringsoperationer.

Kärnmagnetisk resonans och röntgenfotoelektronspektrometeranalyser utfördes vid EMSL, the Environmental Molecular Sciences Laboratory, en DOE Office of Science-användaranläggning på PNNL.