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    El material nanoporoso elimina los contaminantes del agua

    La portada de Química Inorgánica ilustra el trabajo de PNNL en la optimización de estructuras organometálicas de tamaño nanométrico para "red" y capturar un tipo de contaminante industrial que se encuentra en muchos suministros de agua en todo el mundo. Crédito: Química Inorgánica / Ilustración de Rose Perry, PNNL

    El material apenas visible que parece pequeños granos de arena puede ser la clave para eliminar una amenaza invisible para la salud que ha contaminado los suministros de agua en todo el país. Los investigadores del Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico (PNNL) han probado con éxito materiales altamente porosos y han descubierto que pueden absorber componentes clave de una clase de sustancias químicas tóxicas que se encuentran en 43 estados.

    Los científicos de materiales de PNNL son expertos en la optimización de estructuras organometálicas o MOF. Estos materiales porosos de tamaño nanométrico, con centros de metal, puede atraer, sostener, y luego liberan sustancias químicas específicas. Los investigadores de PNNL demostraron recientemente un MOF que absorbe rápidamente compuestos fluorados que se usaban ampliamente en espuma contra incendios y utensilios de cocina antiadherentes.

    Estas sustancias de perfluoroalquilo y polifluoroalquilo (PFAS) resisten la grasa y el agua, por lo que se han utilizado en algunos envases de alimentos, telas y alfombras resistentes a las manchas, y cosmética. La contaminación del agua potable se asocia típicamente con una instalación específica como una planta de fabricación o una base militar. Los PFAS no se descomponen en el medio ambiente ni en los cuerpos humanos.

    Según los Centros para el Control y la Prevención de Enfermedades, se necesita más investigación sobre los efectos en la salud, pero ciertos estudios en humanos han demostrado que cierta exposición puede afectar el crecimiento, aprendiendo, y comportamiento de bebés y niños mayores, reducir la probabilidad de que una mujer quede embarazada, interferir con las hormonas naturales del cuerpo, aumentar los niveles de colesterol, afectar el sistema inmunológico, y aumentar el riesgo de cáncer.

    La Agencia de Protección Ambiental aconseja que la concentración en el agua potable se limite a 70 partes por billón para dos de los compuestos más comunes de la clase:sulfonato de perfluorooctanos (PFOS) y ácido perfluorooctanoico (PFOA).

    Sacar el contaminante del agua con una red

    Con más de 20 años de experiencia trabajando con MOF, El equipo de investigación de PNNL se basó en investigaciones anteriores y planteó la hipótesis de que un MOF con las características adecuadas podría adsorber el PFOS del agua.

    "Estamos emocionados de encontrar un MOF que mostró excelentes capacidades de captura a altas concentraciones de PFOS, "dijo Radha Motkuri, quien lidera el equipo de desarrollo de materiales. "Comenzamos con dos candidatos a MOF, uno con un centro de hierro y otro con cromo. Las estructuras internas actúan como pequeños 'ganchos' de metal que permiten que el material contenga compuestos PFAS".

    Ambos MOF funcionaron mucho mejor que la tecnología existente, que consiste principalmente en filtros de carbón activado granular. Pero en las pruebas de laboratorio reportadas recientemente en Química Inorgánica , el MOF a base de cromo tenía una tasa de captura extremadamente rápida, probablemente debido a sus poros uniformes, sitios absorbentes muy activos, y canales internos.

    Atrapar y liberar

    "Existe una afinidad química muy alta con el cromo que atrae el grupo de cabeza de azufre y la cola de flúor en el PFOS, como se observa en nuestras mediciones de espectroscopía de fotoelectrones de rayos X, ", dijo el autor correspondiente Dev Chatterjee." Esa es una de las razones por las que funciona tan bien en comparación con los filtros de carbón activado existentes ".

    Tanto los MOF a base de cromo como de hierro son estables en agua. Eso es importante porque se pueden lavar con agua dulce para eliminar el PFOS, además, los investigadores estiman que el material se puede reutilizar hasta cientos de veces.

    Los MOF se pueden considerar como una malla metálica, más bien como una red de pesca, que recoge PFOS mientras deja pasar otras moléculas en función de parámetros específicos.

    "Es la capacidad de adaptar características como el tamaño de los poros, sitios activos, orientación y la interacción MOF-químico que hacen que la experiencia del equipo de PNNL en MOF sea tan valiosa ", dijo Jennifer Lee, Responsable de comercialización PNNL. "Esto significa que otros MOF pueden modificarse para muchos contaminantes y usos adicionales".

    Resultados absorbentes

    Para observar la actuación, El PFOS se combinó de forma independiente en viales de 5 milímetros con el hierro MOF, el cromo MOF, o el carbón activado granular en un espectrómetro extremadamente sensible que mostró la concentración de PFOS a lo largo del tiempo. El MOF a base de cromo absorbió casi por completo el contaminante en segundos. Hubo poca o ninguna reducción cuando se usó el carbón activado disponible comercialmente.

    "El agua pura y limpia es tan importante para toda la humanidad, ", dijo Motkuri." Imaginamos un sistema desplegable en el campo por el que un día el agua correría, los contaminantes serían capturados por el MOF, y saldría agua limpia ".

    Chatterjee y el resto del equipo están desarrollando un sensor electroquímico basado en MOF pendiente de patente que detectaría niveles de ultratrazas de contaminación por PFAS y también ayudaría a guiar las operaciones de limpieza.

    Los análisis de resonancia magnética nuclear y espectrómetro de fotoelectrones de rayos X se realizaron en EMSL, el Laboratorio de Ciencias Moleculares Ambientales, una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE en PNNL.


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