La pulizia degli inquinanti dall'acqua con un filtro difettoso suona come un non-starter, ma un recente studio degli ingegneri chimici della Rice University ha scoperto che i difetti della giusta dimensione hanno aiutato un setaccio molecolare ad assorbire più acido perfluoroottansolfonico (PFOS) in meno tempo.

In uno studio sulla rivista dell'American Chemical Society ACS Chimica e Ingegneria Sostenibili , I ricercatori della Rice University Michael Wong, Chelsea Clark e colleghi hanno dimostrato che un materiale altamente poroso, Il nanomateriale simile al formaggio svizzero chiamato struttura metallo-organica (MOF) è stato più veloce nell'assorbire PFOS dall'acqua inquinata, e che potrebbe contenere più PFOS, quando ulteriori fori di dimensioni nanometriche ("difetti") sono stati incorporati nel MOF.

Il PFOS è stato utilizzato per decenni in prodotti di consumo come i tessuti antimacchia ed è il membro più noto di una famiglia di sostanze chimiche tossiche chiamate "sostanze per- e polifluoroalchiliche" (PFAS), che l'Environmental Protection Agency (EPA) descrive come "molto persistenti nell'ambiente e nel corpo umano, nel senso che non si rompono e possono accumularsi nel tempo".

Wong, professore e presidente del Dipartimento di ingegneria chimica e biomolecolare della Rice e professore di chimica, disse, "Stiamo facendo un passo nella giusta direzione verso lo sviluppo di materiali in grado di trattare efficacemente le acque reflue industriali nel livello di parti per miliardo e parti per milione di contaminazione totale da PFAS, che è molto difficile da fare utilizzando le tecnologie attuali come il carbone attivo granulare o i sistemi a fanghi attivi".

Wong ha detto MOF, strutture tridimensionali che si autoassemblano quando gli ioni metallici interagiscono con molecole organiche chiamate linker, sembravano buoni candidati per la bonifica PFAS perché sono altamente porosi e sono stati utilizzati per assorbire e trattenere quantità significative di molecole bersaglio specifiche in applicazioni precedenti. Alcuni MOF, Per esempio, avere una superficie per grammo più grande di un campo da calcio, e più di 20, Sono documentati 000 tipi di MOF. Inoltre, i chimici possono mettere a punto le proprietà MOF, variando la loro struttura, dimensioni e funzioni dei pori, armeggiando con la sintesi, o ricetta chimica che li produce.

Tale è stato il caso del assorbente PFAS di Rice. Clark, uno studente laureato nel laboratorio di catalisi e nanomateriali di Wong, iniziato con un MOF ben caratterizzato chiamato UiO-66, e condusse dozzine di esperimenti per vedere come varie concentrazioni di acido cloridrico modificassero le proprietà del prodotto finale. Ha scoperto di poter introdurre difetti strutturali di varie dimensioni con il metodo, come fare il formaggio svizzero con fori extra-grandi.

"I difetti a pori grandi sono essenzialmente i loro siti per l'adsorbimento di PFOS tramite interazioni idrofobiche, "Clark ha detto. "Migliorano il comportamento di adsorbimento aumentando lo spazio per le molecole di PFOS".

Clark ha testato varianti di UiO-66 con diverse dimensioni e quantità di difetti per determinare quale varietà ha assorbito la maggior parte di PFAS da acqua fortemente inquinata nel minor tempo possibile.

"Crediamo che introducendo casualità, difetti a pori grandi mantenendo contemporaneamente la maggior parte della struttura porosa ha svolto un ruolo importante nel migliorare la capacità di adsorbimento del MOF, " ha detto. "Questo ha anche mantenuto la cinetica di adsorbimento veloce, che è molto importante per le applicazioni di bonifica delle acque reflue in cui i tempi di contatto sono brevi."

Wong ha affermato che l'attenzione dello studio sulle concentrazioni industriali di PFAS lo distingue dalla maggior parte dei lavori pubblicati in precedenza, che si è concentrato sulla pulizia dell'acqua potabile inquinata per soddisfare gli attuali standard federali di 70 parti per trilione. Mentre le tecnologie di trattamento come il carbone attivo e le resine a scambio ionico possono essere efficaci per la pulizia di basse concentrazioni di PFAS dall'acqua potabile, sono molto meno efficaci per il trattamento dei rifiuti industriali ad alta concentrazione.

Sebbene l'uso di PFAS sia stato fortemente limitato dal trattato internazionale dal 2009, le sostanze chimiche sono ancora utilizzate nella produzione di semiconduttori e nella cromatura, dove le acque reflue possono contenere fino a un grammo di PFAS per litro d'acqua, o circa 14 miliardi di volte l'attuale limite EPA per l'acqua potabile sicura.

"In generale per i materiali a base di carbonio e le resine a scambio ionico, c'è un compromesso tra capacità di adsorbimento e velocità di adsorbimento quando si aumenta la dimensione dei pori del materiale, " disse Wong. "In altre parole, più PFAS un materiale può assorbire e intrappolare, più tempo ci vuole per fare il pieno. Inoltre, è stato dimostrato che i materiali a base di carbonio sono per lo più inefficaci nella rimozione dei PFAS a catena più corta dalle acque reflue.

"Abbiamo scoperto che il nostro materiale combina cinetiche ad alta capacità e ad assorbimento rapido ed è anche efficace per i perfluoroalchil solfonati sia a catena lunga che a catena corta, " Egli ha detto.

Wong ha affermato che è difficile battere i materiali a base di carbonio in termini di costi perché il carbone attivo è stato per decenni un pilastro della filtrazione ambientale.

"Ma è possibile che i MOF vengano prodotti su larga scala, " ha detto. "Ci sono alcune aziende che stanno esaminando la produzione su scala commerciale di UiO-66, che è uno dei motivi per cui abbiamo scelto di lavorarci in questo studio".