O nouă chimie „vânător-ucigaș” prinde și distruge substanțele chimice veșnice
Substanțele per- și polifluoroalchilice, cunoscute drept PFAS sau „substanțe chimice veșnice”, apar în tigăi antiaderente, jachete impermeabile, ambalaje alimentare și spuma de stingere a incendiilor. Rezistența lor extremă le face utile, dar tot această durabilitate le împiedică să se descompună, amenințând sănătatea umană și mediul.
Cercetătorii de la Universitatea de Stat din Arizona, împreună cu colaboratori din Statele Unite, China și Singapore, au dezvoltat o metodă care nu doar filtrează aceste substanțe din apă, ci le distruge efectiv. Studiul a fost publicat în Proceedings of the National Academy of Sciences.
Majoritatea tratamentelor convenționale separă PFAS de apă prin cărbune activ, schimb ionic sau filtrare cu membrane. Poluanții rămân însă în filtrele uzate, în saramuri sau în deșeuri concentrate, care trebuie gestionate în continuare. Noua abordare rupe legăturile chimice în loc să mute substanțele în altă parte.
„PFAS sunt greu de descompus, iar procesele normale pe care le folosim nu funcționează”, a declarat Bruce Rittmann, directorul Centrului Swette pentru Biotehnologie Environmentală, coordonatorul studiului.
Persistența PFAS se datorează legăturii carbon-fluor. În mulți dintre acești compuși, un lanț de atomi de carbon este aproape complet înconjurat de atomi de fluor, creând o structură chimică deosebit de rezistentă. „Este numită cea mai puternică legătură din chimia organică”, a explicat Rittmann. Fluorul protejează scheletul de carbon, astfel încât procesele biologice și chimice convenționale nu găsesc un punct de atac.
Hidrogenul poate furniza energia necesară pentru a ataca legăturile carbon-fluor, dar mai întâi trebuie activat. Cercetătorii folosesc nanoparticule de paladiu ca catalizatori pentru a transforma hidrogenul gazos într-o formă foarte reactivă, capabilă să îndepărteze fluorul din molecula de PFAS. Pentru a livra hidrogenul eficient, ei au acoperit fibre membranare minuscule cu nanoparticule de paladiu și au alimentat hidrogenul prin ele.
Membrana catalitică aduce moleculele de PFAS și hidrogenul reactiv împreună la suprafața catalizatorului. Hidrogenul trece prin membrană și este atras de paladiu, unde moleculele de hidrogen se descompun în atomi individuali. Moleculele de PFAS din apa înconjurătoare se atașează și ele de suprafața paladiului. „Paladiul atrage molecula de PFAS și atrage hidrogenul și le pune împreună”, a spus Rittmann.
Livrarea hidrogenului din interiorul membranei direct la baza stratului de paladiu este una dintre principalele avansuri ale studiului: membrana nu doar captează PFAS la suprafață, ci și furnizează hidrogenul reactiv necesar pentru demontarea chimică a moleculelor.
Timp de aproape două luni, sistemul a tratat continuu apă cu un amestec de șase PFAS. A eliminat peste 90% din fiecare compus și a îndepărtat circa 83% din fluorul total, arătând că poluanții au fost demontați chimic, nu doar filtrați. „Am arătat că acest mecanism a funcționat pentru toate cele șase”, a spus Rittmann. „Este un mecanism universal.”
Contaminarea cu PFAS este răspândită în apele subterane, apele uzate și sol. Concentrații deosebit de mari apar în jurul stațiilor de tratare a apelor uzate, depozitelor de deșeuri, aeroporturilor și bazelor militare unde s-au folosit spume de stingere care conțin PFAS. Substanțele pot intra în culturi și se pot acumula în pești, animale domestice și fauna sălbatică. „Cu toții avem PFAS în noi”, a spus Rittmann. „Rămân în mediu. Urcă în lanțul trofic, așa că sunt o mare problemă de moștenire.”
Expunerea la unii PFAS a fost asociată cu cancere, boli tiroidiene, efecte asupra sistemului imunitar, fertilitate redusă, complicații în sarcină, probleme de dezvoltare, obezitate și colesterol ridicat. Două tipuri de PFAS — PFOS și PFOA — sunt listate în Convenția de la Stockholm privind poluanții organici persistenți.
Testul de 58 de zile a arătat că sistemul poate funcționa continuu, dar traducerea tehnologiei în tratare practică a apei va necesita inginerie suplimentară. Un obstacol practic este costul. Rittmann a spus că reducerea cantității de paladiu necesare este una dintre prioritățile principale de cercetare ale grupului. „Paladiul este scump”, a spus el. „Costă în jur de 50.000 de dolari kilogramul.”
Tehnologia ar putea completa sistemele existente de eliminare a PFAS. Tratamentul convențional ar putea concentra mai întâi contaminanții din volume mari de apă într-un flux de deșeuri mai mic, care apoi ar putea fi tratat pentru a distruge PFAS, în loc să fie doar depozitat sau eliminat. Aceeași platformă membranară ar putea avea și alte utilizări. Grupul lui Rittmann dezvoltă versiuni hibride care combină nanoparticulele de paladiu cu bacterii care degradează poluanții, oferind sistemului două căi de descompunere. „Am arătat că și acest lucru funcționează”, a spus Rittmann.
