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

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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。

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