Des matériaux à peine visibles qui ressemblent à de minuscules grains de sable peuvent détenir la clé pour éliminer une menace invisible pour la santé qui a contaminé les approvisionnements en eau à travers le pays. Des chercheurs du Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) ont testé avec succès des matériaux hautement poreux et ont découvert qu'ils peuvent absorber les composants clés d'une classe de produits chimiques toxiques présents dans 43 États.

Les scientifiques des matériaux du PNNL sont des experts dans l'optimisation des cadres organométalliques ou MOF. Ces matériaux poreux de taille nanométrique, avec centres métalliques, peut attirer, prise, puis libèrent plus tard des produits chimiques spécifiques. Des chercheurs du PNNL ont récemment démontré un MOF qui absorbe rapidement les composés fluorés largement utilisés dans les mousses anti-incendie et les ustensiles de cuisine antiadhésifs.

Ces substances per- et polyfluoroalkylées (PFAS) résistent à la graisse et à l'eau, ils ont donc été utilisés dans certains emballages alimentaires, tissus et tapis antitaches, et cosmétiques. La contamination de l'eau potable est généralement associée à une installation spécifique comme une usine de fabrication ou une base militaire. Les PFAS ne se décomposent pas dans l'environnement ou dans le corps humain.

Selon les Centers for Disease Control and Prevention, des recherches supplémentaires sont nécessaires concernant les effets sur la santé, mais certaines études humaines ont montré qu'une certaine exposition peut affecter la croissance, apprentissage, et le comportement des nourrissons et des enfants plus âgés, réduire les chances d'une femme de tomber enceinte, interférer avec les hormones naturelles du corps, augmenter le taux de cholestérol, affecter le système immunitaire, et augmenter le risque de cancer.

L'Environmental Protection Agency recommande que la concentration dans l'eau potable soit limitée à 70 parties par billion pour deux des composés les plus courants de la classe :le perfluorooctanesulfonate (PFOS) et l'acide perfluorooctanoïque (PFOA).

Filet de contaminant hors de l'eau

Avec plus de 20 ans d'expérience avec les MOF, l'équipe de recherche du PNNL s'est appuyée sur des recherches antérieures et a émis l'hypothèse qu'un MOF doté des bonnes caractéristiques pourrait adsorber le SPFO de l'eau.

« Nous sommes ravis de trouver un MOF qui a montré d'excellentes capacités de capture à des concentrations élevées de SPFO, " dit Radha Motkuri, qui dirige l'équipe de développement des matériaux. « Nous avons commencé avec deux candidats MOF, l'un avec un centre en fer et l'autre avec du chrome. Les structures internes agissent comme de petits « crochets » métalliques qui permettent au matériau de retenir les composés PFAS. »

Les deux MOF fonctionnaient bien mieux que la technologie existante, qui se compose principalement de filtres à charbon actif granulaire. Mais dans des tests de laboratoire rapportés récemment dans Chimie inorganique , le MOF à base de chrome avait un taux de capture extrêmement rapide, probablement en raison de ses pores uniformes, sites absorbants hautement actifs, et les canaux internes.

Attraper et relâcher

« Il existe une très grande affinité chimique avec le chrome attirant le groupe de tête du soufre et la queue du fluor sur le SPFO, comme observé par nos mesures de spectroscopie photoélectronique aux rayons X, " a déclaré l'auteur correspondant Dev Chatterjee. " C'est l'une des raisons pour lesquelles cela fonctionne si bien par rapport aux filtres à charbon actif existants. "

Les MOF à base de chrome et de fer sont stables dans l'eau. C'est important car ils peuvent être rincés à l'eau douce pour éliminer le SPFO, De plus, les chercheurs estiment que le matériau peut être réutilisé des centaines de fois.

Les MOF peuvent être considérés comme un maillage métallique, plutôt comme un filet de pêche, ramassant le SPFO tout en laissant passer d'autres molécules en fonction de paramètres spécifiques.

"C'est la capacité d'adapter des caractéristiques telles que la taille des pores, sites actifs, l'orientation et l'interaction MOF-chimique qui rendent l'expertise de l'équipe du PNNL dans les MOF si précieuse." a déclaré Jennifer Lee, Responsable commercialisation PNNL. "Cela signifie que d'autres MOF peuvent être modifiés pour de nombreux autres contaminants et utilisations."

Des résultats absorbants

Pour observer les performances, Le SPFO a été combiné indépendamment dans des flacons de 5 millimètres avec le fer MOF, le chrome MOF, ou le charbon actif granulaire dans un spectromètre extrêmement sensible qui montrait la concentration de SPFO au fil du temps. Le MOF à base de chrome a presque complètement adsorbé le contaminant en quelques secondes. Il y avait peu ou pas de réduction lors de l'utilisation du charbon actif disponible dans le commerce.

"L'eau pure et propre est si importante pour toute l'humanité, " a déclaré Motkuri. " Nous envisageons un système déployable sur le terrain où un jour l'eau s'écoulerait, les contaminants seraient capturés par le MOF, et de l'eau propre en sortirait."

Chatterjee et le reste de l'équipe développent un capteur électrochimique à base de MOF en instance de brevet qui détecterait les niveaux d'ultratraces de contamination par PFAS et aiderait également à guider les opérations de nettoyage.

Les analyses par résonance magnétique nucléaire et par spectromètre de photoélectrons X ont été réalisées à l'EMSL, le Laboratoire des sciences moléculaires de l'environnement, une installation utilisateur du DOE Office of Science au PNNL.