Limpiar los contaminantes del agua con un filtro defectuoso suena como un problema, pero un estudio reciente realizado por ingenieros químicos de la Universidad de Rice encontró que los defectos del tamaño correcto ayudaron a un tamiz molecular a absorber más ácido perfluorooctanosulfónico (PFOS) en menos tiempo.

En un estudio de la revista American Chemical Society Química e Ingeniería Sostenible ACS , Los investigadores de la Universidad de Rice Michael Wong, Chelsea Clark y sus colegas demostraron que un El nanomaterial similar al queso suizo llamado marco metal-orgánico (MOF) absorbió más rápido el PFOS del agua contaminada, y que podría contener más PFOS, cuando se construyeron agujeros adicionales de tamaño nanométrico ("defectos") en el MOF.

El PFOS se ha utilizado durante décadas en productos de consumo como telas resistentes a las manchas y es el miembro más conocido de una familia de productos químicos tóxicos denominados "sustancias per y polifluoroalquilo" (PFAS). que la Agencia de Protección Ambiental (EPA) describe como "muy persistentes en el medio ambiente y en el cuerpo humano, lo que significa que no se descomponen y pueden acumularse con el tiempo".

Wong, profesor y presidente del Departamento de Ingeniería Química y Biomolecular de Rice y profesor de química, dijo, "Estamos dando un paso en la dirección correcta hacia el desarrollo de materiales que puedan tratar eficazmente las aguas residuales industriales en el nivel de partes por mil millones y partes por millón de contaminación total por PFAS, lo cual es muy difícil de hacer usando tecnologías actuales como carbón activado granular o sistemas basados ​​en lodos activados ".

Wong dijo MOF, estructuras tridimensionales que se autoensamblan cuando los iones metálicos interactúan con moléculas orgánicas llamadas enlazadores, parecían buenos candidatos para la remediación de PFAS porque son muy porosos y se han utilizado para absorber y retener cantidades significativas de moléculas objetivo específicas en aplicaciones anteriores. Algunos MOF, por ejemplo, tener una superficie mayor que un campo de fútbol por gramo, y más de 20, Se documentan 000 tipos de MOF. Además, Los químicos pueden ajustar las propiedades de MOF, variando su estructura, tamaños y funciones de los poros, jugando con la síntesis, o receta química que los produce.

Tal fue el caso del sorbente PFAS de Rice. Clark, estudiante de posgrado en el Laboratorio de Catálisis y Nanomateriales de Wong, comenzó con un MOF bien caracterizado llamado UiO-66, y realizó docenas de experimentos para ver cómo varias concentraciones de ácido clorhídrico cambiaban las propiedades del producto final. Descubrió que podía introducir defectos estructurales de varios tamaños con el método, como hacer queso suizo con agujeros extra grandes.

"Los defectos de poros grandes son esencialmente sus propios sitios para la adsorción de PFOS a través de interacciones hidrofóbicas, ", Dijo Clark." Mejoran el comportamiento de adsorción al aumentar el espacio para las moléculas de PFOS ".

Clark probó variantes de UiO-66 con diferentes tamaños y cantidades de defectos para determinar qué variedad absorbió la mayor cantidad de PFAS de agua muy contaminada en la menor cantidad de tiempo.

"Creemos que la introducción aleatoria Los defectos de poros grandes, al tiempo que se mantiene la mayor parte de la estructura porosa, jugaron un papel importante en la mejora de la capacidad de adsorción del MOF. ", dijo." Esto también mantuvo la cinética de adsorción rápida, lo cual es muy importante para las aplicaciones de remediación de aguas residuales donde los tiempos de contacto son cortos ".

Wong dijo que el enfoque del estudio en las concentraciones industriales de PFAS lo distingue de la mayoría de los trabajos publicados anteriormente, que se ha centrado en limpiar el agua potable contaminada para cumplir con los estándares federales actuales de 70 partes por billón. Si bien las tecnologías de tratamiento como el carbón activado y las resinas de intercambio iónico pueden ser efectivas para limpiar concentraciones bajas de PFAS del agua potable, son mucho menos eficaces para el tratamiento de residuos industriales de alta concentración.

Aunque el uso de PFAS ha sido fuertemente restringido por tratados internacionales desde 2009, los productos químicos todavía se utilizan en la fabricación de semiconductores y cromado, donde las aguas residuales pueden contener hasta un gramo de PFAS por litro de agua, o aproximadamente 14 mil millones de veces el límite actual de la EPA para el agua potable.

"En general, para materiales a base de carbono y resinas de intercambio iónico, existe una compensación entre la capacidad de adsorción y la tasa de adsorción a medida que aumenta el tamaño de los poros del material, "Dijo Wong". En otras palabras, cuanto más PFAS puede absorber y atrapar un material, cuanto más tarda en llenarse. Además, Se ha demostrado que los materiales a base de carbono son en su mayoría ineficaces para eliminar los PFAS de cadena más corta de las aguas residuales.

"Descubrimos que nuestro material combina una cinética de adsorción rápida y de alta capacidad, y también es eficaz para los sulfonatos de perfluoroalquilo de cadena corta y larga, " él dijo.

Wong dijo que es difícil superar a los materiales a base de carbono en términos de costo porque el carbón activado ha sido un pilar de la filtración ambiental durante décadas.

"Pero es posible si los MOF se producen a una escala lo suficientemente grande, ", dijo." Hay algunas empresas que buscan la producción a escala comercial de UiO-66, que es una de las razones por las que decidimos trabajar con él en este estudio ".