Nobelprijs voor poreuze materialen met potentie voor toepassingen in de watersector

De Nobelprijs voor de Chemie die vandaag is toegekend staat in het teken van poreuze materialen die potentiële toepassingen kennen voor waterzuivering en waterbeschikbaarheid. De Royal Swedish Academy of Sciences maakte bekend dat de Nobelprijs voor de Chemie naar Susumu Kitagawa, Richard Robson en Omar M. Yaghi gaat, voor de ontwikkeling van metal-organic frameworks (MOFs). In deze moleculaire opbergdoosjes kan zowel het ongewenste (zoals PFAS uit water) als het gewenste (water uit lucht) worden gevangen.

MOFs zijn poreuze, kristallijne materialen, opgebouwd uit metaalionen en organische ‘linkers’. Door te sleutelen aan verschillende combinaties van metalen en organische bruggetjes van variabele lengte, kan het porievolume zodanig worden gefinetuned dat specifieke stoffen erin passen. Over de afgelopen pakweg 35 jaar hebben steeds meer onderzoeken laten zien dat MOFs gebruikt kunnen worden voor bijvoorbeeld de opslag van CO₂, adsorptie van specifieke verontreinigingen uit water en het oogsten van water uit de atmosfeer.

Dit alles is te danken aan een idee dat Richard Robson eind jaren ’80 kreeg toen hij op de Universiteit van Melbourne houten schaalmodellen van moleculen aan het knutselen was voor zijn studenten. Hij bedacht een recept voor poreuze organometaalpolymeren en slaagde erin zijn ‘holle diamanten’ te bouwen. Ook liet hij zien dat de metaalionen van een (later geheten) MOF kunnen worden uitgewisseld met andere metaalsoorten, door MOF-poeder op te lossen in een oplossing van een ander metaal dan dat waar de MOF uit opgebouwd is.

Veel chemici vonden het in die tijd maar een zinloze uitvinding, maar Kitagawa (in Japan) en Yaghi (in Amerika) zagen er elk de charme van in. Afzonderlijk borduurden zij in de jaren ’90 en ’00 voort op Robsons werk. Kitagawa’s motto is altijd geweest dat wetenschappelijk onderzoek niet per se een specifiek doel hoeft te dienen. Voor zijn eerste moleculaire constructies op MOF-gebied had hij dan ook geen concrete eindbestemming. Onderzoeksfinanciers vonden Kitagawa’s werk doelloos, waardoor zijn subsidieaanvragen vaak werden afgewezen.

Een voetbalveld in een paar gram MOF
Er bestonden bovendien, zo redeneerden onderzoeksfondsen in die tijd, al hele handige poreuze materialen: zeolieten, die tot op de dag van vandaag inderdaad voor allerhande toepassingen zoals luchtzuivering gebruikt worden. Een bekend voorbeeld is kattebakgrind. Waar zeolieten vaak echter starre structuren zijn, toonde Kitagawa aan dat je flexibele MOFs kan maken door beweeglijke organische linkers in te bouwen. Zo produceerde hij een MOF die van vorm verandert wanneer je hem met water of methaan vult. Wanneer men de poriën van deze MOF weer leegt (het materiaal ‘regenereert’), neemt de MOF zijn originele vorm weer aan.

Beeld: Johan Jarnestad (Royal Swedish Academy of Sciences)

Water vangen in de woestijn
Aan de andere kant van de wereld liet Omar Yaghi (Arizona State University) ondertussen de enorme ontwerpvrijheid van MOFs zien. Door rationeel ontwerp fabriceerde Yaghi MOFs met hoge thermische stabiliteit en een grote opslagruimte in de holten. Zo bevat een paar gram van zijn beroemde MOF-5 een interne oppervlakte zo groot als een voetbalveld, waarmee de verdere meerwaarde van MOFs boven zeolieten (die vaak een veel lagere adsorptiecapaciteit hebben) bewezen was.

Ook toonde Yaghi aan dat MOFs gebruikt kunnen worden voor het vangen van water uit de atmosfeer. In de woestijn van Arizona lukte het zijn onderzoeksgroep om ’s nachts waterdamp uit de lucht in MOFs op te slaan, om dit water vervolgens bij het aanbreken van de dag uit de MOFs te kunnen oogsten wanneer de zon het materiaal opwarmde.

Relevantie voor de watersector
Nadat dit drietal het wetenschappelijk fundament voor MOFs gelegd had, heeft de ontwikkeling van MOFs in onderzoeksgroepen wereldwijd een vlucht genomen. Volgens een literatuurstudie van KWR Water Research Institute waren er in 2020 al meer dan 90.000 verschillende MOFs gerapporteerd. In 2021, en in 2023 in samenwerking met Vewin en waterbedrijven, onderzocht KWR de mogelijke toepassingen en status quo van MOFs voor waterbehandeling.

Vanwege de hoge adsorptiecapaciteit van MOFs wordt veel onderzoek gedaan naar hun potentie om verontreinigingen als PFAS uit afvalwater te verwijderen. MOFs worden gekenmerkt door grote interne oppervlaktes (tot circa 4500 m²/gram), aanzienlijk groter dan die van bijvoorbeeld actieve kool (circa 720 tot 1710 m²/gram).

Andere functies die MOFs zouden kunnen vervullen of waarbij MOFs in het licht van waterzuivering kunnen assisteren zijn bijvoorbeeld:

• Selectieve verwijdering van specifieke ionen, zoals fosfaat, nitraat, ammonium, sulfide en sulfaat;
• Selectieve verwijdering van zware metalen, zoals lood, cadmium of chroom;
• Scheiding van eenwaardige ionen (zoals kalium, natrium en lithium) van tweewaardige ionen (zoals calcium en magnesium);
• Adsorptie van zouten uit water in het donker en vrijgave van deze zouten door beschijning met (zon)licht;
• Afbraak van organische microverontreinigingen zoals medicijnresten door (een combinatie met) fotokatalytische oxidatie;
• Verbetering van drukgedreven membraanprocessen, zoals omgekeerde osmose, forward osmose en nano-, ultra- en microfiltratie. MOFs kunnen de werking van membranen verbeteren door bijvoorbeeld een hogere waterflux, verbeterde scheiding of hogere zoutretentie.

Een belangrijke voorwaarde voor het gebruik van MOFs voor waterzuiveringstoepassingen is dat het materiaal te regenereren is of dat de MOF inclusief geadsorbeerde inhoud eenvoudig van het te zuiveren afvalwater te scheiden is. Hiertoe worden verschillende sporen onderzocht, zoals MOF-gebaseerde hydrogels, hydrofobe MOFs en regeneratiemethodes op basis van organische oplosmiddelen, pH-switches, (foto)chemische of thermische behandeling, vacuümbehandeling, activatie met superkritische CO₂ en vriesdrogen.

Potentie voor relatief zoete stromen
Volgens het in 2021 gepubliceerde rapport van KWR lag implementatie van MOFs voor drinkwaterzuivering – ten tijde van het onderzoek – nog niet zozeer voor de hand. Wel hebben MOFs mogelijk potentie voor concentraatstromen van relatief zoete bronnen zoals (zoet) oppervlaktewater, grondwater en oever- en duinfiltraat.

De meeste MOFs die in onderzoeken beschreven worden zijn slechts op laboratoriumschaal beschikbaar. Volgens KWR gaan de ontwikkelingen echter snel en zijn steeds meer MOFs commercieel beschikbaar.

Eén van de grotere producenten van MOFs in Europa is op dit moment het Duitse BASF, dat hiertoe samenwerkt met het Canadese bedrijf Svante Technologies. Volgens de website kan BASF MOFs anno 2025 op multi-ton schaal produceren. Ook heeft BASF een patent voor een MOF waarmee water uit lucht gewonnen kan worden.