Новый метод разложения вечных химикатов использует наночастицы и ультразвук

Пер- и полифторалкильные вещества (PFAS) — синтетические химикаты, не разлагающиеся в природе, — содержатся в противопожарной пене, посуде с антипригарным покрытии, водоотталкивающих тканях и пестицидах. Они загрязняют почву и воду, накапливаются в организмах людей и животных, повреждают печень, вызывают гормональные нарушения и рак.

Исследователи из группы профессора ETH Zurich Сальвадора Пане-и-Видаля разработали новый метод разложения подгруппы PFAS — перфтороктансульфонатов (PFOS), которые сейчас строго ограничены или запрещены. Исследование опубликовано в журнале Small Science.

Проблема в прочной связи углерод-фтор в молекулах PFOS, для разрыва которой требуется много энергии, — объясняет докторант Андреа Весьяна.

Разрушение молекул с помощью ультразвука и наночастиц

Впервые для деградации PFOS в воде учёные применили пьезокатализ. «Пьезо» относится к пьезоэлектричеству (электрический заряд при механической деформации), а «катализ» — к ускорению химической реакции.

Исследователи создали пьезоэлектрические наноматериалы, похожие на песок. В ультразвуковой ванне эти частицы электризуются и действуют как катализатор. Именно этот электрический заряд запускает цепную реакцию, разрушающую молекулы PFOS по частям.

С помощью масс-спектрометра учёные доказали, что деградировало 90,5% молекул PFOS. Однако эксперимент проводился с очень высокой концентрацией — 4 мг/л. В природных водоёмах концентрация PFOS обычно меньше 1 мкг/л, и чем она ниже, тем дольше идёт разложение.

Для практического применения метода, например, на стоках химической промышленности, потребуется предварительная концентрация загрязнённой воды.

Преимущества перед существующими методами

• Термическое разложение требует температуры свыше 1000 °C и очень энергозатратно.
• Фотокатализ использует свет для активации катализатора, но в мутных сточных водах свет плохо проникает.
• Адсорбция (сбор загрязнителей «губкой») лишь перемещает проблему, но не решает её.

Пьезокатализ может использовать различные источники механической энергии. Например, турбулентность воды на очистных сооружениях потенциально можно использовать для разложения PFAS.

Борьба с PFAS — общая задача

Метод, успешно показавший себя на 50-миллилитровых пробах в лаборатории, ещё предстоит масштабировать для практики. Однако доказано, что пьезокатализ работает для деградации PFOS и имеет преимущества. Метод применим и к другим PFAS, и к микрозагрязнителям.

Методы разложения PFAS следует применять до попадания химикатов в окружающую среду — на промышленных очистных сооружениях. Компании должны обеспечивать максимальную чистоту сбрасываемой воды.

PFAS — глобальная проблема, требующая изменений в политике и большей прозрачности от промышленности в использовании этих химикатов. При этом важно продолжать научные инновации, чтобы максимально снизить и устранить существующее воздействие PFAS.