Ερευνητές στο Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) δοκιμάζουν δύο τεχνολογίες που έχουν σχεδιαστεί για να καταστρέφουν τις ουσίες ανά και πολυφθοροαλκυλίου (PFAS), μια μεγάλη οικογένεια βιομηχανικών χημικών ουσιών που είναι γνωστό ότι αναστέλλουν τις φυσικές και συμβατικές διαδικασίες αποδόμησης.
Η πρώτη μέθοδος χρησιμοποιεί υδροδυναμική σπηλαίωση, η οποία δημιουργεί και καταρρέει μικροσκοπικές φυσαλίδες ατμού σε μολυσμένο νερό. Το δεύτερο συνδυάζει ψυχρό ατμοσφαιρικό πλάσμα με διασπορά αερίου. Οι αναλύσεις που πραγματοποιήθηκαν από ειδικούς στο Κέντρο Περιβαλλοντικής Έρευνας Helmholtz (UFZ) επιβεβαίωσαν ότι τα μόρια PFAS αποικοδομούνταν και ότι απελευθερώθηκε φθόριο κατά τη διάρκεια της θεραπείας.
Μόλις οι τεχνολογίες αναπτυχθούν αρκετά για εμπορική χρήση, μπορούν να βοηθήσουν τις βιομηχανίες να επεξεργάζονται τα μολυσμένα λύματα προτού φτάσουν σε ποτάμια, λίμνες και ωκεανούς.
Γιατί είναι τόσο δύσκολο να καταστραφεί το PFAS;
Ορισμένα PFAS είναι ύποπτα ότι καταστρέφουν γενετικό υλικό και αυξάνουν τον κίνδυνο καρκίνου, αν και οι βιολογικές επιδράσεις πολλών ενώσεων αυτής της ομάδας εξακολουθούν να είναι ελάχιστα κατανοητές. Περισσότερες από 10.000 βιομηχανικές χημικές ουσίες βραχείας και μακράς αλυσίδας ταξινομούνται ως PFAS.
Η εξαιρετική σταθερότητά τους προέρχεται από τον εξαιρετικά σταθερό δεσμό άνθρακα-φθορίου, έναν από τους ισχυρότερους δεσμούς που υπάρχουν στην οργανική χημεία. Αυτή η αντίσταση έχει κερδίσει στο PFAS το παρατσούκλι “για πάντα χημικά”.
Το PFAS μπορεί να εισέλθει σε ποτάμια και ωκεανούς μέσω των λυμάτων και έχει πλέον εξαπλωθεί σε όλο τον κόσμο. Οι ερευνητές εντόπισαν πρόσφατα υψηλές συγκεντρώσεις στον ποταμό Έλβα, οι οποίες ενέχουν δυνητικούς κινδύνους για την υγεία των φυτών, των ζώων και των ανθρώπων.
Ως μέρος της «Εθνικής Στρατηγικής για το Νερό» της Γερμανίας, η οποία στοχεύει στην προστασία των υδάτινων πόρων και στην εξασφάλιση της παροχής πόσιμου νερού της χώρας, οι επιστήμονες στο HZDR διερευνούν τρόπους για να μειώσουν τη μόλυνση από PFAS και να καταστρέψουν συστηματικά τις χημικές ουσίες αντί απλώς να τις αφαιρέσουν ή να τις μεταφέρουν.
Μια προκαταρκτική μελέτη ξεκίνησε το 2022 με επικεφαλής τη μεταδιδακτορική ερευνήτρια Δρ. Isabel Huacalo-Aguilar. Η ομάδα του δοκίμασε εάν η υδροδυναμική σπηλαίωση θα μπορούσε να υποβαθμίσει το PFAS στο νερό.
Η κατάρρευση της φούσκας δημιουργεί ακραίες συνθήκες
«Στην υδροδυναμική σπηλαίωση, περνάμε νερό πλούσιο σε PFAS μέσω ενός συμπιεστή, δημιουργώντας μικρές φυσαλίδες ατμού», εξηγεί ο Δρ Sebastian Reinecke, Επικεφαλής Νερού και Περιβαλλοντικής Τεχνολογίας στο HZDR.
Τα PFAS μακράς αλυσίδας συμπεριφέρονται σαν τασιενεργά, προκαλώντας τη συλλογή τους σε φυσαλίδες. Καθώς το νερό απομακρύνεται από τη συστολή, η πίεση αυξάνεται και οι φυσαλίδες καταρρέουν βίαια.
«Όταν οι φυσαλίδες σκάνε υπό αυξανόμενη πίεση περιβάλλοντος στο νερό κατάντη της συστολής, τα PFAS που συνδέονται με τις φυσαλίδες εκτίθενται σε τοπικές αιχμές θερμοκρασίας αρκετών χιλιάδων βαθμών Κελσίου», εξηγεί ο Reinecke.
Η σπηλαίωση παράγει εξαιρετικά αντιδραστικές ρίζες υδροξυλίου. Αυτά τα μόρια αντιδρούν εύκολα με κοντινές ουσίες και μπορούν να βοηθήσουν στην καταστροφή των ενώσεων που παράγονται στα αρχικά στάδια της διάσπασης του PFAS.
«Η υπόθεσή μας είναι ότι επιτίθενται σε ενδιάμεσα προϊόντα, αυξάνοντας σημαντικά την υποβάθμιση του PFAS».
Η Huaccallo-Aguilar και οι συνεργάτες της έδειξαν ότι η σπηλαίωση μπορεί να αποικοδομήσει το PFAS στο νερό της βρύσης και να ανοργανοποιήσει το οργανικά συνδεδεμένο φθόριο. Καθώς συνεχιζόταν η επεξεργασία, η ποσότητα φθορίου που μετρήθηκε στο νερό συνέχισε να αυξάνεται, υποδεικνύοντας ότι το φθόριο διαχωριζόταν από το αρχικό μόριο PFAS.
Οι δοκιμές επικεντρώθηκαν στο σουλφονικό υπερφθοριοκτάνιο (PFOS), ένα καλά μελετημένο και εξαιρετικά επίμονο μέλος της οικογένειας PFAS. Στο τέλος της δοκιμής, η διαδικασία αποδόμησε περίπου το 37 τοις εκατό των διαλυμένων μορίων PFOS και διατήρησε ένα σταθερό ρυθμό διάσπασης.
«Τώρα εκτελούμε πειράματα παρακολούθησης για να αυξήσουμε τον ρυθμό αποδόμησης», εξηγεί ο Reinecke. «Στόχος μας είναι να βελτιώσουμε τη διαδικασία σε ποσοστό αποικοδόμησης άνω του 80 τοις εκατό του PFAS σε διάλυμα και να ανοργανοποιήσουμε περισσότερο από το 50 τοις εκατό του φθορίου που είναι συνδεδεμένο με τις χημικές ουσίες – δηλαδή, να σπάσουμε τους δεσμούς άνθρακα-φθορίου που χαρακτηρίζουν το PFAS».
Το ψυχρό πλάσμα προσβάλλει γρήγορα το PFAS
Σε ένα ξεχωριστό σύνολο πειραμάτων, ο περιβαλλοντικός μηχανικός Δρ. Amit Kumar συνδύασε το ψυχρό ατμοσφαιρικό πλάσμα με τη διασπορά αερίου για να καταστρέψει το PFAS.
Η μέθοδος λειτουργεί υπό κανονικές συνθήκες περιβάλλοντος και δεν απαιτεί καταλύτες ή πρόσθετα χημικά. Κατά τη διάρκεια της διδακτορικής του έρευνας, ο Kumar μελέτησε πώς αντιδραστικά χημικά είδη που παράγονται από το πλάσμα μπορούν να διασπάσουν τους μικρορρύπους. Προσάρμοσε αυτά τα ευρήματα για τη δοκιμή PFAS.
«Δημιουργήσαμε ένα πλάσμα στην επιφάνεια του νερού ενώ ταυτόχρονα εισάγαμε το αέριο στο μολυσμένο με PFAS νερό», λέει ο Sebastian Reinecke, εξηγώντας την πειραματική διάταξη. “Το PFAS προσκολλάται στην επιφάνεια των φυσαλίδων αερίου. Καθώς ανεβαίνουν, το νερό κυκλοφορεί συνεχώς. Αυτό φέρνει το PFAS στην επιφάνεια, όπου διασπώνται σε πλάσμα.”
Η θεραπεία με πλάσμα υποβάθμισε σχεδόν πλήρως το PFAS μακράς και βραχείας αλυσίδας. Ουσιαστικά απελευθερώνει περίπου το 35 τοις εκατό των ατόμων φθορίου που είναι συνδεδεμένα στη χημική ουσία, μετατρέποντάς τα σε άλατα φθορίου.
Τα αποτελέσματα ήταν ταχύτερα από αυτά που παράγονται μέσω της κοιλότητας, αλλά η μέθοδος είχε επίσης σημαντικά ελαττώματα.
«Αν και αυτή η μέθοδος έχει σημαντικά ταχύτερη κινητική αντίδρασης από τη σπηλαίωση, καταναλώνει πολύ περισσότερη ενέργεια ανά μονάδα όγκου», σημειώνει ο Reinecke. «Επιπλέον, η διαδικασία παράγει πολυάριθμα προϊόντα μετασχηματισμού που δεν έχουμε ακόμη μπορέσει να διερευνήσουμε λεπτομερώς – για παράδειγμα, αέριες ενώσεις που σχηματίστηκαν κατά τη διάρκεια της αντίδρασης».
Πρόσθετες δοκιμές βρίσκονται σε εξέλιξη για να διαπιστωθεί εάν κάποιο από αυτά τα προϊόντα μετατροπής μπορεί να θέσει σε κίνδυνο την υγεία. Οι ερευνητές θέλουν να εντοπίσουν τρόπους για την πρόληψη του σχηματισμού δυνητικά επικίνδυνων ουσιών.
Σπηλαίωση και συντονισμός πλάσματος
Η ομάδα προσαρμόζει τώρα το σύστημα πλάσματος για την επεξεργασία μεγαλύτερων όγκων μολυσμένου νερού. Χρησιμοποιώντας πολλαπλά ηλεκτρόδια και έναν τεχνολογικό εγχυτήρα αερίου, οι ερευνητές αυξάνουν τον όγκο αντίδρασης από περίπου 50 χιλιοστόλιτρα σε πέντε λίτρα.
Ο μακροπρόθεσμος στόχος τους είναι να συνδυάσουν την επεξεργασία πλάσματος με την υδροδυναμική σπηλαίωση, φέρνοντας τη δύναμη και των δύο τεχνολογιών σε ένα ενιαίο σύστημα.
«Πιστεύω ότι θα επιτύχουμε υψηλούς ρυθμούς αποδόμησης συνδυάζοντας είδη υψηλής αντίδρασης από το πλάσμα με φαινόμενα σπηλαίωσης», δήλωσε ο Reinecke.
Εάν η συνδυασμένη προσέγγιση αποδειχθεί επιτυχής, θα μπορούσε να οδηγήσει σε μια νέα και πιο αποτελεσματική τεχνολογία για την καταστροφή των PFAS σε μολυσμένο νερό πριν οι χημικές ουσίες απελευθερωθούν στο περιβάλλον.
Αυτή η έρευνα χρηματοδοτήθηκε από το Ταμείο Impulse and Networking της Ένωσης Helmholtz στο Εργαστήριο Τεχνολογίας Καθαρού Νερού (CLEWATEC), ένα Εργαστήριο Καινοτομίας Helmholtz, με αριθμό αναφοράς HIL-A02. Τα έργα «HyKaPro SAB-EFRE» και «Plasma4PFAS SAB-EFRE» συγχρηματοδοτούνται από την Ευρωπαϊκή Ένωση και εγκρίνονται φορολογικά έσοδα στον κρατικό προϋπολογισμό του Σαξονικού Κοινοβουλίου.
