Immagini al microscopio elettronico a trasmissione ad alta risoluzione (in alto a sinistra) e al microscopio elettronico a trasmissione (in basso a sinistra) del COF mostrate per abbattere in modo efficiente il PFOA; (al centro, a destra) Campioni COF in una vasta gamma di formati macroscopici.
Una nuova strategia di sintesi potrebbe accelerare la decontaminazione dei PFAS. Gli ingegneri della Rice dimostrano un modo versatile ed economico per produrre materiali avanzati di alta qualità
Gli ingegneri della Rice University hanno sviluppato un modo innovativo per realizzare strutture organiche covalenti (covalent organic frameworks - COFs), materiali speciali che possono essere utilizzati per intrappolare i gas, filtrare l'acqua e accelerare le reazioni chimiche. I COFs hanno il potenziale per affrontare importanti sfide ambientali, tra cui lo stoccaggio dell’energia e il controllo dell’inquinamento. Un esempio di ciò è il loro potenziale utilizzo nella decontaminazione di “sostanze chimiche per sempre” o sostanze alchiliche perfluorurate e polifluorurate, anche dette sostanze perfluoroalchiliche e polifluoroalchiliche (PFAS).
L'ingegnere chimico della Rice Rafael Verduzco (1) e il suo team hanno descritto un nuovo modo per sintetizzare COFs di alta qualità a basso costo e con un rendimento elevato in uno studio pubblicato su ACS Applied Materials and Interfaces (2). Il lavoro comprende un'attenta analisi dei vantaggi e degli svantaggi dei diversi metodi di sintesi e descrive in dettaglio un modo versatile ed economico per realizzare COFs. Ciò comporta un microreattore multiflusso e un'attenta calibrazione del processo di input-output.
«Abbiamo costruito un piccolo sistema di produzione continua come una minifabbrica su un banco di laboratorio dove gli ingredienti per i COF vengono miscelati e fatti reagire in un flusso costante anziché tutti in una volta in un grande contenitore», ha affermato la dottoressa Safiya Khalil (3), ex studentessa della Rice University e prima autrice dello studio.
I ricercatori hanno anche scoperto che uno dei COF prodotti tramite sintesi a flusso era migliore di quelli realizzati utilizzando altri metodi nel scomporre l’acido perfluoroottanoico (PFOA), un composto PFAS associato a una serie di rischi per la salute, tra cui cancro e danni riproduttivi.
«Questa è una scoperta incoraggiante che si aggiunge alla crescente evidenza che i COFs potrebbero emergere come un attore chiave nello sviluppo di tecnologie più pulite ed efficienti per la rimozione dei contaminanti», ha affermato Verduzco, professore e presidente associato di ingegneria chimica e biomolecolare presso la Rice, che è l'autore corrispondente dello studio.
I COFs sono polimeri cristallini costituiti da piccole unità ripetitive collegate insieme in microscopiche strutture spugnose. Questi materiali si distinguono per la loro porosità, l'ampia area superficiale e la struttura molecolare sintonizzabile, caratteristiche che potrebbero essere sfruttate per l'uso in un'ampia gamma di applicazioni, tra cui semiconduttori, sensori, somministrazione di farmaci e filtrazione. Tuttavia, il processo lento e costoso di produzione dei COFs ha limitato una loro più ampia diffusione.
«Ci auguriamo che questo metodo semplifichi la produzione di COFs in grandi quantità e contribuisca ad accelerare la scoperta di nuove formulazioni», ha affermato Khalil, che ha conseguito un dottorato di ricerca in ingegneria chimica e biomolecolare alla Rice, dove faceva parte del Polymer Engineering Laboratory di Verduzco (4).
Khalil ha paragonato il nuovo metodo alla preparazione dei biscotti su ordinazione in piccoli lotti invece che cuocerli tutti in una volta in un unico grande lotto. Sebbene non fosse la prima volta che la sintesi del reattore a flusso veniva utilizzata per produrre COF, il metodo dei ricercatori della Rice si distingue dagli approcci precedenti perché integra la sintesi continua e l’elaborazione di due diverse sostanze chimiche COFs, risultando in una gamma più varia di formati macroscopici.
«Questo metodo ti consente di avere continuamente biscotti appena fatti controllando la temperatura e mescolando ad ogni passaggio per ottenere ogni volta la migliore qualità», ha affermato Khalil. «Questo processo è più veloce, utilizza meno energia e consente un migliore controllo sul prodotto finale».
La sintesi tradizionale del COF prevede l’uso di alte temperature, alta pressione e solventi organici tossici, limitando la produzione e l’uso diffusi. La strategia di sintesi del flusso dei ricercatori non solo consente una produzione di COFs più rapida, ma consente anche la creazione di COF con cristallinità superiore.
La prova aggiuntiva che uno dei COFs appena sintetizzati era molto efficiente nel scomporre una “sostanza chimica per sempre” mostra i vantaggi pratici del nuovo metodo. Il processo di degradazione, noto come degradazione fotocatalitica, viene attivato dalla luce e avviene a temperatura ambiente.
«Immaginate questi COF come potenti spugne con ‘motori solari’ incorporati che possono abbattere le sostanze chimiche dannose molto più velocemente rispetto ai metodi attuali», ha detto Khalil. «Uno dei COF che abbiamo sintetizzato era più efficace nel scomporre il PFOA rispetto ai materiali tradizionali come il biossido di titanio, un comune fotocatalizzatore utilizzato nel controllo dell’inquinamento».
La ricerca è stata sostenuta dal Ministero dell'Istruzione degli Emirati Arabi Uniti e dalla Welch Foundation (C-2124).
Riferimenti:
(1) Rafael Verduzco
(2) Continuous Synthesis and Processing of Covalent Organic Frameworks in a Flow Reactor
(3) Safiya Khalil
Descrizione foto: Immagini al microscopio elettronico a trasmissione ad alta risoluzione (in alto a sinistra) e al microscopio elettronico a trasmissione (in basso a sinistra) del COF mostrate per abbattere in modo efficiente il PFOA; (al centro, a destra) Campioni COF in una vasta gamma di formati macroscopici. - Credit: Laboratorio Verduzco/Rice University.
Autore traduzione riassuntiva e adattamento linguistico: Edoardo Capuano / Articolo originale: New synthesis strategy could speed up PFAS decontamination