Очистка загрязняющих веществ от воды с помощью дефектного фильтра звучит как непростое решение, но недавнее исследование, проведенное инженерами-химиками в Университете Райса, показало, что дефекты правильного размера помогли молекулярному сите впитать больше перфтороктансульфоновой кислоты (ПФОС) за меньшее время.

В исследовании, проведенном в журнале Американского химического общества ACS Sustainable Chemistry and Engineering , исследователи из Университета Райса Майкл Вонг, Челси Кларк и его коллеги показали, что высокопористый швейцарский сыроподобный наноматериал, называемый металлоорганическая структура (MOF), быстрее впитывается. ПФОС из загрязненной воды, и что он может удерживать больше ПФОС, когда в МФ были встроены дополнительные отверстия нанометрового размера («дефекты»).

ПФОС в течение десятилетий использовался в потребительских товарах, таких как устойчивые к окраске ткани, и является наиболее известным членом семейства токсичных химических веществ, называемых «пер- и полифторалкильными веществами» (ПФАС), которые Агентство по охране окружающей среды (EPA) описывает как «очень стойкие в окружающей среде и в организме человека, то есть они не разрушаются и могут накапливаться со временем «.

Вонг, профессор и заведующий кафедрой химической и биомолекулярной инженерии Райс, а также профессор химии, сказал: «Мы делаем шаг в правильном направлении в направлении разработки материалов, которые могут эффективно очищать промышленные сточные воды с частями на миллиард и частями». уровень загрязнения ПФАС на миллион, что очень трудно сделать, используя современные технологии, такие как гранулированный активированный уголь или системы на основе активного ила ».

Вонг сказал, что MOF, трехмерные структуры, которые самоорганизуются, когда ионы металлов взаимодействуют с органическими молекулами, называемыми линкерами, кажутся хорошими кандидатами для восстановления PFAS, потому что они очень пористые и использовались для поглощения и удержания значительных количеств определенных молекул-мишеней в предыдущих Приложения. Например, некоторые MOF имеют площадь поверхности, превышающую футбольное поле на грамм, и задокументировано более 20 000 видов MOF. Кроме того, химики могут настраивать свойства MOF — изменяя их структуру, размеры пор и функции — с помощью синтеза или химического рецепта, который их производит.

Так было в случае с сорбентом ПФАС Райс. Кларк, аспирант Лаборатории катализа и наноматериалов Вонга, начал с хорошо охарактеризованного MOF под названием UiO-66 и провел десятки экспериментов, чтобы увидеть, как различные концентрации соляной кислоты изменяют свойства конечного продукта. Она обнаружила, что может внести структурные дефекты различных размеров с помощью метода — например, сделать швейцарский сыр с очень большими отверстиями.

«Дефекты с большими порами, по сути, являются собственными площадками для адсорбции ПФОС посредством гидрофобных взаимодействий», — сказал Кларк. «Они улучшают адсорбционные свойства, увеличивая пространство для молекул ПФОС».

Кларк проверил варианты UiO-66 с различными размерами и количеством дефектов, чтобы определить, какой сорт впитал наибольшее количество ПФАС из сильно загрязненной воды за наименьшее количество времени.

«Мы считаем, что введение случайных дефектов с большими порами при одновременном сохранении большей части пористой структуры сыграло большую роль в улучшении адсорбционной способности MOF», — сказала она. «Это также поддерживало быструю кинетику адсорбции, что очень важно для применений по очистке сточных вод, где время контакта короткое».

Вонг сказал, что исследование, посвященное концентрации промышленных ПФАС, отличает его от большинства ранее опубликованных работ, в которых основное внимание уделялось очистке загрязненной питьевой воды в соответствии с действующими федеральными стандартами в 70 частей на триллион. Хотя технологии очистки, такие как активированный уголь и ионообменные смолы, могут быть эффективными для очистки низкоактивных концентраций ПФАС от питьевой воды, они гораздо менее эффективны для обработки высококонцентрированных промышленных отходов.

Хотя использование PFAS было сильно ограничено международным договором с 2009 года, химикаты все еще используются в производстве полупроводников и хромировании, где сточные воды могут содержать до одного грамма PFAS на литр воды, или примерно в 14 миллиардов раз больше, чем текущий предел EPA для безопасной питьевой воды.

«Как правило, для материалов на основе углерода и ионообменных смол существует компромисс между адсорбционной емкостью и скоростью адсорбции при увеличении размера пор материала», — сказал Вонг. «Другими словами, чем больше PFAS материала может впитываться и улавливаться, тем дольше он заполняется. Кроме того, было показано, что материалы на основе углерода в основном неэффективны при удалении PFAS с более короткой цепью из сточных вод».

«Мы обнаружили, что наш материал сочетает в себе кинетику с высокой пропускной способностью и быстрой адсорбцией, а также эффективен как для перфторалкилсульфонатов с длинной, так и для короткой цепи», — сказал он.

Вонг сказал, что с точки зрения стоимости трудно превзойти углеродные материалы, потому что активированный уголь был основой фильтрации окружающей среды на протяжении десятилетий.

«Но это возможно, если MOF станут производиться в достаточно больших масштабах», — сказал он. «Есть несколько компаний, которые рассматривают производство UiO-66 в промышленных масштабах, и это одна из причин, по которой мы решили работать с ним в этом исследовании».