Ball Mill -techniek produceert nanoschaal steigers die PFAS filteren

PFA’s zijn gefluoreerde verbindingen gevonden in veel dagelijkse producten, zoals buitenkleding en kookgerei zoals Teflon -pannen. Dit komt omdat PFA’s duurzaam, warmtebestendig en vuil-afstotelijk zijn. Hun stabiliteit is precies wat tot problemen leidt: hoewel mogelijk schadelijk voor onze gezondheid, worden deze stoffen nauwelijks in het milieu afgebroken en worden beschouwd als “voor altijd chemicaliën”. PFA’s worden ook gevonden in afvalwater. Hoewel ze door filtratie kunnen worden verwijderd, is dit een moeizaam proces.

Een team onder leiding van het Duitse Federal Institute for Materials Research and Testing (BAM) heeft nu een nieuw filtermateriaal ontwikkeld op basis van een ongebruikelijke productietechniek. Cruciale experimenten werden uitgevoerd bij Desy’s röntgenbron Petra III om het proces te optimaliseren. De werkgroep presenteert zijn resultaat in het dagboek Klein.

De kandidaten voor dit nieuwe filtermateriaal staan ​​bekend als “covalente organische frameworks.” De poriën van deze COF’s zijn slechts enkele nanometer, zodat PFAS -moleculen letterlijk erin vast komen te zitten. De steigers op nanoschaal kunnen worden vervaardigd met behulp van een originele techniek – door ze in een speciaal type molen te slijpen.

“In het laboratorium gebruiken we een kleine plastic cilinder over de grootte van een filmbus”, legt BAM -onderzoeker Franziska Emmerling uit. “Hierin plaatsen we wat poeder, een druppel oplosmiddel en twee stalen ballen, elk ongeveer de grootte van een peperkorrel.”

Een speciaal apparaat schudt deze balfabriek vervolgens meer dan 30 keer per seconde, waardoor de inhoud ervan wordt gemalen. Aanvankelijk worden de poederkorrels kleiner, wat hun oppervlak verhoogt. Na een paar minuten initiëren de wrijvingswarmte, verhoogde druk en kinetische energie een chemische reactie. De fijngemalen deeltjes combineren om grotere structuren te vormen, steigers die als een filter kunnen werken. Deze weinig bekende tak van chemische productie staat bekend als mechanochemie.

“Het is eigenlijk een heel oud verhaal. Mechanochemie heeft waarschijnlijk al een rol gespeeld in de oudheid”, zegt Desy Physicist Martin Etter. “De eerste farmaceutische stoffen voor medicijnen werden vermoedelijk vrijgegeven of zelfs gevormd in chemische reacties wanneer plantenmateriaal in een mortel werd gemalen.”

Tegenwoordig worden mechanochemische processen gebruikt in de industrie om geneesmiddelen, katalysatoren en functionele materialen te synthetiseren. Omdat ze normaal gesproken geen grote hoeveelheden giftige oplosmiddelen nodig hebben en relatief weinig energie vereisen, worden dergelijke methoden als duurzaam en milieuvriendelijk beschouwd.

Maar wat is de meest effectieve manier om de filterkaders te produceren met behulp van een balfabriek? Om erachter te komen, bestudeerde de onderzoeksgroep in Hamburg het proces met behulp van de hoge intensiteit, gerichte röntgenstraal geproduceerd door Petra III. Terwijl de molen in actie was, scande de bundel om de tien seconden zijn inhoud en kon de structuur van de kristallen bepalen.

“Het patroon geproduceerd door de twee uitgangsmaterialen bij onze detector is anders dan dat van de chemische stof gevormd door de chemische reactie”, legt Etter uit. “We waren in staat om in realtime te kijken, omdat de patronen van de twee startende chemicaliën zwakker en zwakker werden, terwijl tegelijkertijd het patroon van de nieuwe chemische stof begon te verschijnen – dat van de kaderstructuren.”

Om de optimale parameters voor het proces te identificeren, varieerde het team een ​​aantal factoren, waaronder de frequentie waarmee de balfabriek werd geagiteerd en de hoeveelheid toegevoegde oplosmiddel. De resultaten toonden aan dat de beste steigers werden verkregen met een frequentie van 36 Hertz, met behulp van 266 milligram poeder en het toevoegen van 250 microliter oplosmiddel – slechts enkele druppels. In tegenstelling tot andere raamwerkstructuren die al als filters worden gebruikt, bevat het nieuwe materiaal geen zware metalen en zou daarom milieuvriendelijker zijn.

Hoewel het nog niet duidelijk is hoe de potentiële PFAS -filters op industriële schaal kunnen worden vervaardigd, heeft Etter al enkele ideeën over waar ze uiteindelijk kunnen worden gebruikt. “In de afvalwaterzuiveringsinstallaties van bedrijven die bijvoorbeeld PFAS -chemicaliën produceren”, zegt de natuurkundige. “En misschien konden ze op een dag zelfs worden geïntegreerd in gewone kranen om ons drinkwater te filteren.”

Onderzoek naar mechanochemie zal doorgaan bij Desy. De experts hebben hoge verwachtingen van Petra IV, de geplande opvolger van de huidige röntgenbron. Petra IV zal een aanzienlijk fijnere, nauwer gecollimeerde röntgenstraal leveren, die de metingen aanzienlijk zou moeten versnellen.

“Dat betekent dat we niet slechts om de tien seconden één foto kunnen maken, maar misschien tien foto’s per seconde”, zegt Etter. “En dat zou ons bijvoorbeeld in staat stellen chemische processen te observeren die zeer snel plaatsvinden en in welke kortstondige tussenliggende structuren worden gevormd.”