Τα δηλητηριώδη βαρέα μέταλλα και τα καρκινογόνα επιβλαβή ανιόντα αποτελούν τους κυριότερους ρυπαντές στα βιομηχανικά απόβλητα και αποτελούν σοβαρό κίνδυνο τόσο για τον άνθρωπο όσο και γενικότερα για τα έμβια όντα. Τις τελευταίες δυο δεκαετίες, τα μεταλλοργανικά πλέγματα (Metal Organic frameworks, MOFs), έχουν κεντρίσει το ενδιαφέρον της επιστήμης των υλικών χάρη στις εξαιρετικές ιδιότητές τους, όπως η μεγάλη ειδική επιφάνεια, πολυλειτουργικότητα και χημική / θερμική σταθερότητα. Τα MOFs με ιδιότητες ιοντοανταλλαγής (ion-exchange MOFs, IEMOFs) φαίνεται να είναι πολλά υποσχόμενα όσων αφορά την επεξεργασία υδατικών λυμάτων. Συνδυάζοντας ένα πορώδες υψηλής τάξης δομής και μια μεγάλη ποικιλία υποκαταστατών, τα IEMOFs μπορούν να θεωρηθούν ως υλικά νέας γενιάς για εφαρμογές ιοντοανταλλαγής. Για το λόγο αυτό, μπορεί να απομονωθούν IEMOFs που να συνδυάζουν ταχύτατη ρόφηση και υψηλή εκλεκτικότητα ρόφησης ως προς τα επιθυμητά ιόντα. Μεταξύ των διάφορων μεταλλοργανικών πλεγμάτων με ιδιότητες ιοντοανταλλαγής, τα IEMOFs του Zr(IV) θεωρούνται τα πιο αποτελεσματικά, αφού συνδυάζουν έναν μεγάλο αριθμό επιθυμητών χαρακτηριστικών, μεταξύ των οποίων είναι: α) ανθεκτικότητα, β) υψηλό πορώδες, γ) δυνατότητα ενσωμάτωσης πολλών λειτουργικών ομάδων στο πλέγμα και δ) ευκολία στη σύνθεση.
Στην παρούσα ερευνητική εργασία, εξετάζουμε τη χρήση μιας σειράς οργανικών υποκαταστατών με κατάλληλες λειτουργικές ομάδες για την απομόνωση μιας σειράς μικροπορώδων υλικών ΙΕMOF Zr(IV). Μελετάται επίσης η δυνατότητα τoυς για ρόφηση επιβλαβών ανιόντων και κατιόντων. Επιπρόσθετα, τα IEMOFs χρησιμοποιούνται ως βάση για τη δημιουργία σύνθετων υλικών με συνδυασμό αυτών με οργανικά πολυμερή. Τα σύνθετα υλικά τείνουν να μην σχηματίζουν καλό αιώρημα με το νερό και, για το λόγο αυτό, παρουσιάζουν δυνατότητα να παραμένουν σταθερά σε ιοντοανταλλακτικές στήλες. Μελετάται διεξοδικά η ροφητική ικανότητα των υλικών τόσο με μεθόδους διαλείποντος έργου όσο και με ιοντοανταλλακτικές στήλες. Οι στήλες ιοντοανταλλαγής αποτελούνται κατά βάση από άμμο με διασπορά μικρής ποσότητας του σύνθετου υλικού IEMOF-οργανικού πολυμερούς σε αυτή. Τα πειράματα διεξάγονται τόσο με εργαστηριακά όσο και πραγματικά δείγματα υδατικών λυμάτων.
Καινοτομία
Η απομάκρυνση διαφόρων ρύπων που βρίσκονται στο νερό, όπως οι βιομηχανικοί ρύποι, προκαλεί ιδιαίτερο προβληματισμό για πολλές χώρες σε ολόκληρο τον κόσμο. Η ρόφηση και η ιοντοανταλλαγή είναι σχετικά χαμηλού κόστους και εξαιρετικά αποτελεσματικές μέθοδοι για την απομάκρυνση διαφόρων ιόντων από το νερό. Ωστόσο, οι γνωστοί ιοντοανταλλάκτες κατιόντων (όπως οι άργιλοι και οι ζεόλιθοι) και ροφητές (όπως ο ενεργός άνθρακας), μειονεκτούν λόγω της χαμηλής εκλεκτικότητας και ροφητικής ικανότητάς τους να δεσμεύουν τοξικά ιόντα βαρέων μετάλλων. Οι οργανικές ρητίνες, περιέχουν λειτουργικές ομάδες που είναι κατάλληλες για την ρόφηση συγκεκριμένων κατιόντων ή ανιόντων, και αποτελούν τους πιο συχνά χρησιμοποιούμενους ροφητές σε αρκετές διεργασίες καθαρισμού του πόσιμου νερού, ωστόσο διαθέτουν ορισμένα μειονεκτήματα όπως η περιορισμένη χημική, ραδιολυτική και θερμική σταθερότητα. Άλλα υλικά που έχουν χρησιμοποιηθεί για διάφορες διεργασίες ιοντοανταλλαγής, με πολλά υποσχόμενα αποτελέσματα, είναι η τροποποιημένη μεσοπορώδης πυριτία, τα οξείδια των μετάλλων μετάπτωσης, τα LDHs και οι μεταλλοσουλφιδικοί ιοντοανταλλάκτες MSIEs. Παρόλα αυτά, προβλήματα όπως είναι η σταθερότητα του υλικού σε ακραίες συνθήκες αποβλήτων (όπως τα πυρηνικά απόβλητα), το κόστος και η επαναχρησιμοποίηση των ροφητικών υλικών, η εκλεκτικότητά τους απέναντι στο ιόν στόχο υπό την παρουσία διαφόρων συγκεντρώσεων αλάτων κτλ. είναι αναγκαίο να διερευνηθούν πριν την εφαρμογή των υλικών σε διεργασίες καθαρισμού των αποβλήτων.
Από τα παραπάνω, είναι ξεκάθαρο ότι οι τέλειοι ροφητές που μπορούν να αντέξουν σε ακραίες συνθήκες αποβλήτων, με εξαιρετική εκλεκτικότητα απέναντι στο ιόν στόχο και με χαμηλό κόστος παρασκευής, δεν έχουν ακόμα συντεθεί. Αν και υπάρχουν ορισμένες μελέτες που αποδεικνύουν ότι τα IEMOFs μπορούν να είναι αποτελεσματικοί ροφητές, περιορισμένες έρευνες έχουν γίνει όσον αφορά την ιοντοανταλλακτική τους ικανότητα. Ακόμη, είναι σπάνιες οι έρευνες που δείχνουν τα IEMOFs παρασκευασμένα με τέτοιον τρόπο, έτσι ώστε να μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε ιοντοανταλλακτικές στήλες για πρακτικές εφαρμογές. Η παρούσα εργασία έχει ως κύριο στόχο την δημιουργία νέων υλικών με πρωτόγνωρες ιοντοανταλλακτικές/ροφητικές ικανότητες, καθώς και την ανάπτυξη νέων εφαρμογών όπως η χρήση IEMOFs σε ιοντοανταλλακτική στήλη για τον καθαρισμό του νερού. Επιπλέον, μια πρόκληση της ερευνητικής εργασίας είναι η παρασκευή υλικών που μπορούν να δεσμεύσουν ταυτόχρονα κατιόντα και ανιόντα, κάτι που θα αποτελέσει μια σημαντική ανακάλυψη στον τομέα των ροφητικών υλικών.
Αναμενόμενα αποτελέσματα - Απήχηση της έρευνας
Με την υλοποίηση αυτής της έρευνας θα προκύψουν πολλά επιστημονικά, κοινωνικά και οικονομικά πλεονεκτήματα σε τοπικό αλλά και σε διεθνές επίπεδο. Η έρευνα πάνω στη χημεία των MOFs είναι ιδιαίτερα σημαντική, όχι μόνο για την ενίσχυση της βασικής επιστημονικής γνώσης, αλλά και για τον λόγο ότι αυτή η κατηγορία των υλικών έχει σημαντικές εφαρμογές στην τεχνολογία. Μια από αυτές τις εφαρμογές είναι η ρόφηση και η απομάκρυνση τοξικών ιόντων από υδατικά μέσα. Η μόλυνση από τα βαρέα μέταλλα και άλλους οργανικούς ρύπους στον υδροφόρο ορίζοντα αποτελεί μια μεγάλη περιβαλλοντική πρόκληση για πολλές χώρες. Πιο συγκεκριμένα στις χώρες που βρίσκονται στην Μεσόγειο όπου οι υδάτινοι πόροι είναι περιορισμένοι, υπάρχει μια συνεχής ανάγκη για την ανάπτυξη φθηνών και αποτελεσματικών μεθόδων για τον καθαρισμό και την επαναχρησιμοποίηση του νερού. Επιπλέον, λαμβάνοντας υπόψιν την έκταση της έρευνας που έχει πραγματοποιηθεί πάνω σε ροφητές για τοξικά ιόντα και την μεγάλη αγορά αυτών των υλικών, η ανάπτυξη των IEMOFs και των σύνθετών τους ενδεχομένως να διευρύνουν τους ορίζοντες της συνεχώς αναπτυσσόμενης βιομηχανίας των ροφητικών υλικών.
