Vesistöjen lääkeainejäämät ja niiden poistaminen MOF-rakenteilla

Abstract

Uusien tutkimusten ja aiempaa tarkempien analyysimetodien myötä luonnonvesistöjen lääkeainejäämät ovat viime aikoina herättäneet entistä enemmän huomiota. Vedenpuhdistuslainsäädäntö ei nykyisellään velvoita käsittelylaitoksia lääkeaineiden poistamiseen jätevesistä, mutta se tulee tulevaisuudessa kiristymään. Nykyisten vedenpuhdistusmenetelmien teho ei riitä kaikkien lääkeaineiden poistamiseen, joten tarve uusien ratkaisujen kehittämiselle on ilmeinen. Metalliorgaaniset rakenteet ovat joukko uudenaikaisia, huokoisia materiaaleja, jotka rakentuvat orgaanisten ligandien yhdistämistä metallikeskuksista. Rakenteita käytetään erityisesti kaasusovelluksissa, mutta myös niiden käyttöä vedenpuhdistuksessa on alettu viime aikoina tutkimaan. Osa rakenteista toimii tehokkaasti myös lääkeaineiden poistamiseen.

Työn kirjallisuusosassa esitellään syitä lääkeaineiden luontoon päätymisen taustalla ja vertaillaan eri puolilla maailmaa mitattuja pitoisuuksia sekä niiden haittavaikutuksia. Eri lääkeaineiden määrät korostuvat eri alueilla yleisten tautien ja käyttötottumusten seurauksena. Luontoon päätyvien määrien rajoittamista sekä lainsäädännön että uusien vedenpuhdistustekniikoiden avulla esitellään. Metalliorgaanisten rakenteiden ominaisuudet ja käyttömahdollisuudet esitellään laajasti. Soveltavassa osuudessa kirjallisuuden perusteella valittua MIL-53(Fe) -rakennetta syntetisoidaan, ja sen liittämistä kankaaseen tutkitaan. Rakenteen ominaisuuksia antibiootti sulfametoksatsolin ja epilepsia- ja mielialalääke karbamatsepiinin vedestä poistamiseen tutkitaan.

Tulosten perusteella optimoitu MIL-53(Fe) -rakenne poistaa valittuja lääkeaineita sekä adsorptiolla että fotokatalysoidulla hapetusreaktiolla. Optimoidulla rakenteella päästään molempien lääkeaineiden suhteen yli 99 % poistotehoon. Pääosa poistosta tapahtuu fotokatalyysivaiheessa näkyvän valon alueella. MOF/kangaskomposiitti toimii poistoteholtaan yhtä hyvin kuin jauhemainen rakenne, mutta vaati hieman pidemmän käsittelyajan. Rakennetta voidaan uudelleenkäyttää, eikä poistoteho laske merkittävästi kolmen perättäisen kokeen sarjassa. Työn tulosten perusteella rakenteen vedenpuhdistusominaisuuksien tutkimista kannattaa jatkaa.

With increased research and more precise analysis methods pharmaceutical residues in natural waters now attract more attention than ever before. Water treatment legislation does not require treatment plants to remove pharmaceuticals from wastewater as of now but will become stricter in the future. As conventional wastewater treatment is not effective for removal of all pharmaceutical residues, the need for new treatment techniques is apparent. Metal-Organic Frameworks are a group of highly porous materials that are formed from organic ligands that bind metal centers together. These structures are used especially in gas applications, but their use in water treatment has also been studied lately. Some of the MOF structures can work well for removal of pharmaceutical residue from water.

In the literature review of this master’s thesis the reasons behind how and why pharmaceuticals end up in water are introduced. Residue amounts around the world are compared and their effects are discussed. The amounts detected vary because of the diseases and use habits typical to different areas. The possibilities to limit the amount of pharmaceutical emissions into nature by legislation and novel water treatment methods are discussed. MOF structures, their properties and usage methods are introduced. In the applied section MIL-53(Fe) is synthesised and different ways to attach it to fabric are studied. The removal efficiency of antibiotic sulfamethoxazole and epilepsy and antidepressant drug carbamazepine is studied with optimized MOF structure.

The results reveal that the synthesised structure removes the chosen pharmaceuticals by adsorption and photocatalytic oxidation. With the optimised structure removal efficiency of over 99 % was achieved. Most of the removal happens in the photocatalysis part with visible light. MOF/fabric composite reached as good efficiency as the powder structure but required longer processing times. The reuse capabilities of the MOF/fabric were tested in three consecutive tests. The efficiency of the material did not decrease significantly between the tests. The results of the thesis suggest that the water treatment properties of the structure are worth studying further.