Инновационный материал станет «убийцей вечных химикатов»

Вечные химикаты PFAS — опасный загрязнитель окружающей среды. Их коварство — в химической стойкости и неспособности к разложению. Справиться с ПФАС могут лишь сорбенты на базе металлоорганических каркасов. Такие материалы разрабатывают ученые всего мира.

Дмитрий ПавловАвтор Hi-Tech Mail

Исследователи из Университета штата Юта разработали материал, который решает насущную экологическую проблему — позволяет в режиме реального времени обнаруживать и эффективно удалять из загрязненной воды перфтороктановую кислоту (PFOA, химическая формула C8HF15O2). Это условно токсичный и крайне стойкий представитель семейства PFAS (per- and polyfluoroalkyl substances) — вездесущих вечных химикатов. По-русски аббревиатура выглядит аналогично — ПФАС, пер- и полифторалкильные соединения.

На карте вечных химикатов сегодня нанесено уже более 9 000 соединений. Структурно они представляют собой длинные цепочки алкильных радикалов CH3, в которых атомы водорода замещены атомами фтора. В электрохимическом плане фтор — самый активный элемент периодической системы. Разрушить фторуглеродные связи в молекулах ПФАС крайне трудно — именно поэтому эти химикаты и называют вечными. Перфтороктановая кислота (PFOA) — один из широко применяемых в промышленности PFAS.

В исследовании, итоги которого опубликованы в издании Journal of Materials Chemistry C, профессор кафедры материаловедения Инженерного колледжа Линг Занг и его исследовательская группа представили двухфункциональный металлоорганический каркас (metal-organic framework, сокращенно MOF) с рабочим индексом UiO-66-N(Ch₃)₃⁺. Это пористый материал на основе циркония, известный своей термической и химической стабильностью.

Новый MOF демонстрирует исключительные способность как адсорбировать перфтороктановую кислоту, так и идентифицировать загрязнитель с помощью механизма флуоресценции. Связываясь с PFOA, MOF начинает ярко светиться, что упрощает количественную оценку масштабов проблемы, а также прогнозирует скорость и эффективность ее устранения. Металлоорганический каркас можно использовать повторно, что подтверждается многократными циклами адсорбции–десорбции. После каждой адсорбции материал можно легко регенерировать путем простой промывки.

Работа представляет собой значительный шаг вперед в области нейтрализации «вечных химикатов». Способность сорбирующего материала избирательно улавливать и обнаруживать даже незначительные концентрации PFOA в режиме реального времени делает его практичным решением для очистки воды и мониторинга окружающей среды.

Эта работа основана на предыдущих исследованиях лаборатории, в ходе которых был создан пористый материал, который флуоресцирует в присутствии PFAS.

Перфтороктановая кислота является синтетическим веществом, обладающим водостойкостью, устойчивостью к нагреванию и химической инертностью. На поверхностях, обработанных PFOA, не скапливается жир и продукты его окисления. Вечный химикат PFOA используется при изготовлении сковородок и прочей посуды с антипригарным покрытием, в пене для пожаротушения и других продуктах. Но это вещество не разлагается в окружающей среде. После того как сковородка побывала в раковине или в посудомоечной машине, вечный химикат уходит в сток и затем накапливается в водоемах и в грунтовых водах. И хотя явный сиюминутный вред ПФАС для здоровья не подтвержден, их накопление окружающей среде и тканях живых организмов вызывает тревогу у экологов и медиков.

Сорбент UiO-66-N(Ch₃)₃⁺ оснащен флуоресцентными метками, которые включаются, как только PFOA попадает в молекулярную сетку MOF. Тем самым решаются сразу две задачи — выявляется наличие и концентрация вещества-мишени и происходит его нейтрализация.

Команда Линг Занга разработала инновационный MOF, модифицировав другой металлоорганический каркас, известный как UiO-66-NH₂, пористый материал, широко применяемый в водоподготовке. Однако при удалении PFOA адсорбционная эффективность UiO-66-NH₂ ограничена.

Чтобы устранить это ограничение, исследователи включили в материал четвертичные аммониевые группы, которые усиливают электростатическое взаимодействие с PFOA, что приводит к увеличению адсорбционной способности в 3,4 раза по сравнению с исходной структурой UiO-66-NH₂. Эти катионные группы также взаимодействуют с металлосвязывающими центрами MOF, обеспечивая высокую селективность и эффективность улавливания конкретного загрязняющего вещества.

Успех этого подхода подчеркивает силу пост-синтетической модификации MOF и открывает путь к разработке материалов нового поколения, обладающих как универсальной адсорбционной активностью, так и избирательной способностью нейтрализовывать конкретные загрязнители окружающей среды.

Ключевые технологические достижения UiO-66-N(Ch₃)₃⁺:

• Рекордно высокая адсорбционная способность. UiO-66-N(Ch₃)₃⁺ поглотить PFOA в соотношении 1178 мг/г, что определено с помощью моделирования изотермы Ленгмюра. Это значительно превосходит показатели обычных сорбентов, таких как активированный уголь и немодифицированные MOF;
• Сверхбыстрое удаление. Благодаря своей высокопористой MOF удаляет почти 650 PFOA из водных растворов, содержащих 50 частей на миллион, в течение 5 минут. Такая быстрая обработка имеет решающее значение для применения в реальной водоподготовке;
• Высокая селективность и солеустойчивость. MOF обладает высокой селективностью по отношению к PFOA даже в присутствии других соединений, солей и природных или синтетических органических веществ, что обеспечивает надежную работу в сложных условиях окружающей среды;
• Возможность многократного использования. Материал сохраняет адсорбционную способность более чем на 93% после пяти циклов регенерации, что делает его экономичным и экологически устойчивым;
• Встроенный флуоресцентный датчик мониторинга в режиме реального времени. Материал UiO-66-N(Ch₃)₃⁺ функционирует как высокочувствительный флуоресцентный датчик для определения PFOA с помощью индикаторного анализа смещения (IDA). Это позволяет в режиме реального времени определять концентрацию ПФО на месте, предлагая удобную и быструю альтернативу традиционным лабораторным методам.

Относительный недостаток — в избирательности действия. Для нейтрализации других ПФАС, чей список перевалил за 9000 наименований, требуются новые металлоорганические каркасы.

Недавно Hi-Tech Mail рассказал об «умном» алкотестере на основе MOF, который по выдоху способен моментально определить отравление метанолом.

Поделиться