Nettoyer les polluants de l'eau avec un filtre défectueux ressemble à un non-démarreur, mais une étude récente menée par des ingénieurs chimistes de l'Université Rice a révélé que les défauts de la bonne taille aidaient un tamis moléculaire à absorber plus d'acide perfluorooctanesulfonique (PFOS) en moins de temps.

Dans une étude de la revue American Chemical Society ACS Chimie et Ingénierie Durables , Les chercheurs de l'Université Rice Michael Wong, Chelsea Clark et ses collègues ont montré qu'un matériau très poreux, Le nanomatériau semblable à du fromage suisse appelé structure métallo-organique (MOF) a été plus rapide à absorber le SPFO de l'eau polluée, et qu'il pourrait contenir plus de SPFO, lorsque des trous supplémentaires de la taille du nanomètre ("défauts") ont été construits dans le MOF.

Le SPFO a été utilisé pendant des décennies dans des produits de consommation comme les tissus résistants aux taches et est le membre le plus connu d'une famille de produits chimiques toxiques appelés "substances per- et polyfluoroalkylées" (PFAS), que l'Environmental Protection Agency (EPA) décrit comme "très persistant dans l'environnement et dans le corps humain, ce qui signifie qu'ils ne se décomposent pas et qu'ils peuvent s'accumuler avec le temps".

Wong, professeur et président du Département de génie chimique et biomoléculaire de Rice et professeur de chimie, mentionné, « Nous faisons un pas dans la bonne direction vers le développement de matériaux capables de traiter efficacement les eaux usées industrielles au niveau des parties par milliard et parties par million de contamination totale par les PFAS, ce qui est très difficile à faire avec les technologies actuelles comme le charbon actif granulaire ou les systèmes à base de boues activées."

Wong a déclaré aux MOF, des structures tridimensionnelles qui s'auto-assemblent lorsque des ions métalliques interagissent avec des molécules organiques appelées lieurs, semblaient être de bons candidats pour la remédiation des PFAS car ils sont très poreux et ont été utilisés pour absorber et retenir des quantités importantes de molécules cibles spécifiques dans des applications précédentes. Certains MOF, par exemple, avoir une surface au gramme supérieure à celle d'un terrain de football, et plus de 20, 000 types de MOF sont documentés. En outre, les chimistes peuvent ajuster les propriétés du MOF en variant leur structure, tailles et fonctions des pores - en bricolant la synthèse, ou recette chimique qui les produit.

Tel était le cas avec le sorbant PFAS de Rice. Clark, un étudiant diplômé du laboratoire de catalyse et de nanomatériaux de Wong, a commencé avec un MOF bien caractérisé appelé UiO-66, et mené des dizaines d'expériences pour voir comment diverses concentrations d'acide chlorhydrique modifiaient les propriétés du produit final. Elle a découvert qu'elle pouvait introduire des défauts structurels de différentes tailles avec la méthode, comme faire du fromage suisse avec des trous extra-larges.

"Les défauts à larges pores sont essentiellement leurs propres sites d'adsorption du SPFO via des interactions hydrophobes, ", a déclaré Clark. "Ils améliorent le comportement d'adsorption en augmentant l'espace pour les molécules de SPFO."

Clark a testé des variantes d'UiO-66 avec différentes tailles et quantités de défauts pour déterminer quelle variété absorbait le plus de PFAS d'une eau fortement polluée en un minimum de temps.

"Nous pensons qu'introduire le hasard, les défauts à grands pores tout en maintenant simultanément la majorité de la structure poreuse ont joué un grand rôle dans l'amélioration de la capacité d'adsorption du MOF, " dit-elle. " Cela a également maintenu la cinétique d'adsorption rapide, ce qui est très important pour les applications d'assainissement des eaux usées où les temps de contact sont courts."

Wong a déclaré que l'accent mis par l'étude sur les concentrations industrielles de PFAS la distingue de la plupart des travaux publiés précédemment, qui s'est concentré sur le nettoyage de l'eau potable polluée pour répondre aux normes fédérales actuelles de 70 parties par billion. Alors que les technologies de traitement comme le charbon actif et les résines échangeuses d'ions peuvent être efficaces pour nettoyer les faibles concentrations de PFAS de l'eau potable, ils sont beaucoup moins efficaces pour traiter les déchets industriels à forte concentration.

Bien que l'utilisation des PFAS ait été fortement restreinte par un traité international depuis 2009, les produits chimiques sont encore utilisés dans la fabrication de semi-conducteurs et le chromage, où les eaux usées peuvent contenir jusqu'à un gramme de PFAS par litre d'eau, ou environ 14 milliards de fois la limite actuelle de l'EPA pour l'eau potable.

"En général pour les matériaux à base de carbone et les résines échangeuses d'ions, il y a un compromis entre la capacité d'adsorption et le taux d'adsorption lorsque vous augmentez la taille des pores du matériau, " dit Wong. " En d'autres termes, plus un matériau peut absorber et piéger de PFAS, plus il faut de temps pour faire le plein. En outre, les matériaux à base de carbone se sont avérés pour la plupart inefficaces pour éliminer les PFAS à chaîne plus courte des eaux usées.

« Nous avons constaté que notre matériau combine une cinétique d'adsorption élevée et rapide et qu'il est également efficace pour les sulfonates de perfluoroalkyle à chaîne longue et courte, " il a dit.

Wong a déclaré qu'il était difficile de battre les matériaux à base de carbone en termes de coût, car le charbon actif est un pilier de la filtration environnementale depuis des décennies.

"Mais c'est possible si les MOF sont produits à assez grande échelle, " Il a dit. " Il y a quelques entreprises qui envisagent la production à l'échelle commerciale d'UiO-66, c'est l'une des raisons pour lesquelles nous avons choisi de l'utiliser dans cette étude. »