Genom att införa defekter i strukturen av ett metallorganiskt ramverk, eller MOF, Forskare från Rice University fann att de kunde öka mängden giftiga föroreningar som kallas perfluoroktansulfonsyra (PFOS) som MOF kan hålla, liksom hastigheten med vilken den kan adsorbera dem från kraftigt förorenat industriellt avloppsvatten. Upphovsman:Chelsea Clark/Rice University
Att rengöra föroreningar från vatten med ett defekt filter låter som en icke-starter, men en nyligen genomförd studie av kemiska ingenjörer vid Rice University visade att rättstora defekter hjälpte en molekylsikt att suga upp mer perfluoroktansulfonsyra (PFOS) på kortare tid.
I en studie i American Chemical Society journal ACS Hållbar kemi och teknik , Rice University forskare Michael Wong, Chelsea Clark och kollegor visade att en mycket porös, Schweizisk ostliknande nanomaterial som kallas ett metallorganiskt ramverk (MOF) var snabbare att suga upp PFOS från förorenat vatten, och att den kunde hålla mer PFOS, när ytterligare hål i nanometer ("defekter") byggdes in i MOF.
PFOS användes i decennier i konsumentprodukter som fläckresistenta tyger och är den mest kända medlemmen i en familj av giftiga kemikalier som kallas "per- och polyfluoroalkylsubstanser" (PFAS), som Environmental Protection Agency (EPA) beskriver som "mycket ihållande i miljön och i människokroppen - vilket innebär att de inte går sönder och att de kan ackumuleras med tiden."
Wong, professor och ordförande för Rices institution för kemisk och biomolekylär teknik och professor i kemi, sa, "Vi tar ett steg i rätt riktning mot att utveckla material som effektivt kan behandla industriellt avloppsvatten i delar per miljard och delar per miljon av total PFAS-förorening, vilket är mycket svårt att använda nuvarande teknik som granulärt aktivt kol eller aktiverat slambaserade system. "
Wong sa MOF:er, tredimensionella strukturer som självmonteras när metalljoner interagerar med organiska molekyler som kallas länkar, verkade som bra kandidater för PFAS -sanering eftersom de är mycket porösa och har använts för att absorbera och hålla betydande mängder specifika målmolekyler i tidigare applikationer. Några MOF, till exempel, har en yta större än en fotbollsplan per gram, och mer än 20, 000 sorters MOF dokumenteras. Dessutom, kemister kan ställa in MOF -egenskaper - varierar deras struktur, porstorlekar och funktioner - genom att pyssla med syntesen, eller kemiskt recept som producerar dem.
Så var fallet med Rices PFAS -sorbent. Clark, en doktorand i Wongs katalys- och nanomateriallaboratorium, började med en väl karakteriserad MOF som heter UiO-66, och genomförde dussintals experiment för att se hur olika koncentrationer av saltsyra förändrade egenskaperna hos den slutliga produkten. Hon fann att hon kunde införa strukturfel i olika storlekar med metoden-som att göra schweizisk ost med extra stora hål.
"Defekterna med stora porer är i huvudsak egna platser för PFOS-adsorption via hydrofoba interaktioner, "Clark sa." De förbättrar adsorptionsbeteendet genom att öka utrymmet för PFOS -molekylerna. "
Genom att införa defekter i strukturen av ett metallorganiskt ramverk, eller MOF, Rice University -forskarna Mike Wong och Chelsea Clark fann att de kunde öka mängden giftiga föroreningar som kallas perfluoroktansulfonsyra (PFOS) som MOF kan hålla, liksom hastigheten med vilken den kan adsorbera dem från kraftigt förorenat industriellt avloppsvatten. Upphovsman:Jeff Fitlow/Rice University
Clark testade varianter av UiO-66 med olika storlekar och mängder av defekter för att avgöra vilken sort som sugade in mest PFAS från starkt förorenat vatten på minst tid.
"Vi tror att införandet av slumpmässiga, stora porfel samtidigt som majoriteten av den porösa strukturen bibehölls spelade en stor roll för att förbättra adsorptionskapaciteten hos MOF, "sa hon." Detta upprätthöll också den snabba adsorptionskinetiken, vilket är mycket viktigt för avloppsreningsapplikationer där kontakttiderna är korta. "
Wong sa att studiens fokus på industriella koncentrationer av PFAS skiljer det från de flesta tidigare publicerade arbeten, som har fokuserat på att rengöra förorenat dricksvatten för att uppfylla de nuvarande federala standarderna på 70 delar per biljon. Medan behandlingsteknik som aktivt kol och jonbyteshartser kan vara effektiva för att rengöra lågkoncentrationer av PFAS från dricksvatten, de är mycket mindre effektiva för behandling av industriellt avfall med hög koncentration.
Även om användningen av PFAS har varit starkt begränsad av internationella fördrag sedan 2009, kemikalierna används fortfarande vid halvledartillverkning och förkromning, där avloppsvatten kan innehålla så mycket som ett gram PFAS per liter vatten, eller cirka 14 miljarder gånger den nuvarande EPA -gränsen för säkert dricksvatten.
"I allmänhet för kolbaserade material och jonbyteshartser, det finns en avvägning mellan adsorptionskapacitet och adsorptionshastighet när du ökar materialets porstorlek, "Wong sa." Med andra ord, ju mer PFAS ett material kan suga upp och fånga, desto längre tid tar det att fylla på. Dessutom, kolbaserade material har visat sig vara mest ineffektiva vid avlägsnande av PFAS med kortare kedja från avloppsvatten.
"Vi fann att vårt material kombinerar högkapacitet och snabb adsorptionskinetik och också är effektivt för både lång- och kortkedjiga perfluoralkylsulfonater, " han sa.
Wong sa att det är svårt att slå kolbaserade material när det gäller kostnader eftersom aktivt kol har varit en grundpelare för miljöfiltrering i årtionden.
"Men det är möjligt om MOF produceras i tillräckligt stor skala, "sa han." Det finns några företag som tittar på produktion i kommersiell skala av UiO-66, vilket är en anledning till att vi valde att arbeta med det i den här studien. "
