Очистка воды от токсичных соединений представляет собой лишь первый шаг к их полной ликвидации. Оседая в фильтрующих материалах, вредные вещества требуют обязательного уничтожения и обезвреживания. Без этого загрязнение просто перемещается в новый поток отходов, продолжая угрожать экологии.
Сотрудники Инженерного колледжа имени Джона и Марсии Прайс при Университете Юты нашли способ расщеплять так называемые вечные химикаты в щадящих условиях. Официально эти соединения называются пер- и полифторалкильными веществами, или сокращенно PFAS. Они применяются повсеместно благодаря полезным свойствам, но из-за исключительной стойкости крайне тяжело поддаются разложению и накапливаются в природе.
Проблема прочных связей
PFAS превратились в глобальную экологическую проблему из-за долгого периода полураспада и серьезной угрозы для здоровья людей и живых организмов. Главная трудность кроется в сверхпрочных углерод-фторных связях, которые не поддаются естественному разрушению в природных условиях.
«Конечная цель состоит в том, чтобы уничтожить и обезвредить PFAS и снизить их опасность, чтобы очистка не сводилась к простому перемещению заражения из воды в другие отходы», — пояснил руководитель научной работы, заслуженный профессор и ассоциированный декан по исследованиям Линг Занг. Результаты этой работы опубликованы в издании Communications Chemistry.
Новая разработка стала логичным продолжением прошлых изысканий группы под руководством Занга, которые касались фильтрации, адсорбции и мониторинга эффективности очистки. Теперь специалисты сосредоточились на ликвидации химикатов уже после их улавливания.
Химия процесса и мягкие условия
Для разрушения опасных молекул ученые задействовали реактивные химические вещества — нуклеофилы. Эти реагенты способны разорвать прочные углерод-фторные связи в структуре загрязнителей. Сам процесс называется дефторированием: он позволил высвободить практически весь фтор в виде безопасного фторида из нескольких протестированных соединений, включая PFOA и трифторуксусную кислоту. Последняя представляет собой особо упрямую и крошечную молекулу, которую традиционными методами расщепить невероятно трудно.
Метод также показал высокую эффективность при очистке двух распространенных фторированных пластиков — PVDF и PCTFE. Данные материалы массово используются в производстве батарей, различных промышленных товаров и боеприпасов.
Большинство лабораторных тестов проходили при температурах от 110 градусов Цельсия или ниже, а для некоторых материалов потребовалось нагревание максимум до 150 градусов Цельсия. Данные показатели существенно ниже температур традиционного сжигания, где показатели часто переваливают за одну тысячу градусов.
Обычное сжигание мусора сопряжено с дополнительными рисками: неполное сгорание приводит к образованию опасных вторичных загрязнителей, включая более мелкие фторированные соединения. Подобные летучие вещества способны быстро рассеиваться в атмосфере и создавать новые угрозы для экологической безопасности.
Разработанный метод успешно функционирует в условиях обычного воздуха и обходится без громоздких систем. Технология не требует инертных газов, облучения глубоким ультрафиолетом, использования высокореактивных щелочных металлов, тяжелых металлов в качестве катализаторов, применения высокого давления или энергозатратной механической обработки.
В перспективе подход позволит эффективно вытягивать PFAS из загрязненной воды, концентрировать их в минимальном объеме и уничтожать прямо на месте, а не переносить из воды в твердый материал. Сейчас технология находится на лабораторной стадии. В дальнейших планах научной группы под руководством Паллабиты Басу и ее коллег значится поиск альтернативных реагентов, проведение тестов на реальных промышленных стоках, детальная оценка общей стоимости процесса и проверка безопасности конечных продуктов распада.
