This paper investigates the synthesis of metal–organic frameworks (MOFs), their incorporation into sodium alginate-based composite beads and 3D printed membranes as well as their potential application for the adsorption of per- and polyfluoroalkyl substances (PFAS) from contaminated water. For this work three MOFs, ZIF-8 (Zn), Al-Fumarate, and Ni-MOF-74, were successfully synthesized and processed into composite materials using sodium alginate as a binder. Structural and rheological analysis using different analytical methods confirmed that stable MOF@SA composites can be formed across all three synthesized systems. A clear guidance for the optimal MOF-to-alginate ratio could not be discovered. However, the optimal ratio most likely depends on both particle size and surface chemistry of the MOF.

Additionally, adsorption experiments using the commercial MOF BasoliteZ1200 showed measurable PFOA removal, indicating that MOFs possess the capacity to absorb PFAS effectively. These results suggest that the other two studied MOFs, namely Ni-MOF-74 and Al-Fumarate, are also promising candidates for PFAS adsorption.

In summary, this paper highlights the potential of MOFs as advanced sorbents for PFAS removal from polluted water sites and demonstrates the viability of producing structurally stable MOF@SA composites. Nevertheless, further investigations involving expanded MOF and PFAS libraries and comprehensive and thorough adsorption studies are needed to establish general structure to property relationships and guide the optimization of MOF-based materials for industrial scale water treatment applications.

Deutsche Version:

In dieser Forschungsarbeit werden die Synthese von metall-organischen Gerüstverbindungen (Metal–Organic Frameworks, MOFs), deren Einbettung in Alginat-basierte Komposit Materialien und 3D-gedruckte Membranen sowie deren potenzielle Anwendung zur Adsorption von per- und polyfluorierten Alkylverbindungen (PFAS) aus kontaminiertem Wasser untersucht. Drei MOFs,     ZIF-8(Zn), Aluminium Fumarat und Ni-MOF-74, wurden in Rahmen dieser Arbeit erfolgreich synthetisiert und unter Verwendung von Natriumalginat als Bindemittel zu Komposit Materialien verarbeitet. Strukturelle und rheologische Analysen bestätigten, dass stabile MOF-Alginat-Komposite für alle drei Systeme erreicht werden konnten. Eine eindeutige Bestimmung des optimalen MOF-zu-Alginat-Verhältnisses war jedoch nicht möglich. Allerdings hängt dieses voraussichtlich von verschiedenen Parametern, darunter unter anderen die Partikelgröße und die Oberflächenchemie, der MOFs ab.

Adsorptionsexperimente mit dem kommerziellen MOF Basolite Z1200 zeigten eine messbare Entfernung von PFOA, was darauf hinweist, dass MOFs grundsätzlich zur effektiven Adsorption von PFAS geeignet sind. Diese Ergebnisse lassen vermuten, dass auch die in dieser Arbeit untersuchten MOFs, insbesondere Ni-MOF-74 und Aluminium Fumarat, vielversprechende Kandidaten für die PFAS-Adsorption sind.

Insgesamt unterstreicht diese Arbeit das Potenzial von MOFs als fortschrittliche Adsorptionsmaterialien für die Entfernung von PFAS aus Wasser und zeigt die Machbarkeit der Herstellung strukturell stabiler MOF-Alginat-Komposite. Weiterführende Untersuchungen mit erweiterten MOF-, sowie PFAS-Bibliotheken und umfassenden Adsorptionsstudien sind erforderlich, um eindeutige Struktur-Eigenschafts-Beziehungen zu etablieren und die Optimierung von MOF-basierten Materialien für den industriellen Einsatz in der Wasseraufbereitung gezielt voranzutreiben.