水質淨化——六價鉻的吸附海綿
由MOF材料及聚合物製成的MOF小珠：可以過濾水中高毒性的六價鉻離子，並在可見光的催化下，將六價鉻離子還原成低毒性的三價鉻離子，再生MOF小珠活性。
文／鄭琳潔
電影《永不妥協》改編自真人真事辛克利地下水污染事件，描述單親母親艾琳・布羅克維齊調查美國太平洋瓦電公司排放含六價鉻廢水、污染地下水源、導致當地居民罹患癌症，艾琳替居民發聲維權的故事。六價鉻具有強烈的毒性，是已知的致癌物質，被人體吸收後，容易造成DNA的病變、形成腫瘤。六價鉻常見於皮革、染劑、冶煉等產業廢棄物中，其陰離子（如：CrO42-、Cr2O72-）在水中的流動性極高，若處理不慎，就可能造成嚴重的環境污染。事實上，除了辛克利小鎮，世界各地時有所聞六價鉻的污染事件。因此，如何移除水中的六價鉻，一直是科學家們試圖解決的課題。2020年五月，瑞士洛桑聯邦理工學院的研究團隊，為這個難題提出了新的解決辦法——一塊專門吸附六價鉻離子的海綿。
海綿吸水的能力，來自於多孔隙的內部構造。化學家Wendy Queen所使用的海綿，則是稱為金屬有機骨架(MOF, metal-organic frameworks) [註1]的材料。藉由金屬離子或金屬團簇作為支點，具有多配位基的有機物質作為骨架，配位組裝後，生成具有多孔洞性質的材料。透過改變金屬與有機配體，科學家們可調控孔洞的形狀、大小，進一步控制可以進出這些孔隙的物質。有趣的是，因為材料內充滿孔隙，若將這些孔洞攤平，1克MOF可與分子接觸的面積，能和一座足球場相比。
Wendy Queen教授設計的MOF，以氧化鋯團簇作為支點，經過氨基（-NH2）修飾的對苯二甲酸（BDC2-, 1,4-benzenedicarboxylate）作為骨架，除了增加捕捉六價鉻的能力，同時也使得材料可以吸收較大範圍的可見光。由於MOF材料時常為微米或奈米大小的粒子，在流動的環境中容易流失。為了增加實用性，研究團隊嘗試將MOFs與聚合物混合，製作成珠子的形式（如圖所示）。考量到生成的珠子必須具有良好的透水性質，團隊選擇以親水性（hydrophilic）羧酸基（-COOH）改質的聚醚碸（PES, polyethersulfone）為聚合物材料。
最後生成的MOF珠子，對鉻具有非常高的吸收力，1克MOF珠子可以吸收208毫克六價鉻，是現階段MOF材料中吸附能力最高的。並且在200 ppb的低濃度環境下，MOF珠子能將六價鉻濃度降至50 ppb（WHO飲用水標準）以下。為了更貼近實驗室外可能遇到的狀況，Wendy Queen教授的團隊也使用羅納河（Rhone River）的河水作為實驗的樣品。一般水資源中，往往存在許多可能干擾材料吸附表現的陽離子（如鎂、鈣離子），但MOF珠子在河水樣品中，仍能將5 ppm的六價鉻降低至1 ppm以下。
海綿除了吸水，擠壓後可以排出水來。MOF珠子吸附六價鉻後，在酸性環境及可見光的催化下，六價鉻會被還原成毒性較低的三價鉻離子，並離開MOF的孔隙。孔洞空出來後，MOF珠子就可以再吸附其他六價鉻離子。三價鉻則可透過鹼化的方式，由溶液中沈澱出來。在實驗室裡，MOF珠子可以重複使用五次，六價鉻的移除能力能夠完全再現。現階段，化學家們正嘗試將這樣的MOF珠子，應用在更大量的水質淨化實驗。期望有一天，這樣的材料可以實際投入工業或生活中，解決六價鉻環境污染的問題。
原始文獻：A novel integrated Cr(vi) adsorption–photoreduction system using MOF@polymer composite beads. J. Mater. Chem. A, 2020, 8, 9629-9637, doi: 10.1039/d0ta01046d
相關報導：
Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne: MAY 6, 2020 Filtering out toxic chromium from water
Chemistry Word: MAY 26, 2020 MOFs that remove and reduce hexavalent chromium yield drinkable water
註解：
[註1]影片簡單展示了MOF的架構：圓球為金屬離子或金屬團簇，作為結構中的支點；棒子則為具有多配位基的有機物質，作為結構中的骨架。