Istraživači Sveučilišta Rice, u suradnji s međunarodnim partnerima, razvili su prvu ekološki prihvatljivu tehnologiju za brzo hvatanje i uništavanje otrovnih “vječnih kemikalija” (PFAS) u vodi. Rezultati su nedavno objavljeni u časopisu Advanced Materials i označavaju veliki korak prema rješavanju jedne od najupornijih ekoloških prijetnji na svijetu.
Studiju je vodio Youngkun Chung, postdoktorand pod mentorstvom Michaela S. Wonga, profesora pri Riceovoj školi inženjerstva i računarstva George R. Brown, a provedena je u suradnji sa Seoktae Kangom, profesorom na Korejskom naprednom institutu za znanost i tehnologiju (KAIST), i Keon-Ham Kimom, profesorom na Nacionalnom sveučilištu Pukyung u Južnoj Koreji.
PFAS, kratica za per- i polifluoroalkilne tvari, sintetičke su kemikalije prvi puta proizvedene 1940-ih i korištene u proizvodima od teflonskih tava do vodootporne odjeće i ambalaže za hranu. Njihova sposobnost da se odupru toplini, masnoći i vodi učinila ih je široko primjenjivima u industriji, ali i gotovo nerazgradivima u okolišu, jer ista ta otpornost u industriji znači da se ne razgrađuju lako, zbog čega su i dobile nadimak “vječne kemikalije”.
Danas se PFAS-i nalaze u vodi, tlu i zraku diljem svijeta. Studije ih povezuju s oštećenjem jetre, reproduktivnim poremećajima, poremećajem imunološkog sustava i određenim vrstama raka. Napori za uklanjanje PFAS-a su vrlo izazovni jer je kemikalije teško ukloniti i uništiti nakon što se ispuste u okoliš.
Ograničenja trenutne tehnologije
Tradicionalne metode čišćenja PFAS-a obično se oslanjaju na adsorpciju, odnosno pripajanje, proces u kojemu čestice plina ili tekućine (atomi, molekule i ioni) bivaju privučene na površinu tijela. Treba je razlikovati od apsorpcije (upijanje), procesa koji se odvija u cijelom volumenu tvari. Porozni ili granulirani materijali imaju veću sposobnost adsorpcije zbog veće površine. Može biti vrlo selektivna i primjenjuje se za razdvajanje ili pročišćavanje plinova i tekućina. U adsorpciji se molekule vežu za materijale poput aktivnog ugljena ili ionsko-izmjenjivačkih smola. Iako se ove metode široko koriste, imaju velike nedostatke: nisku učinkovitost, spore performanse, ograničen kapacitet i stvaranje dodatnog otpada koji zahtijeva odlaganje.
“Trenutne metode za uklanjanje PFAS-a su prespore, neučinkovite i stvaraju sekundarni otpad”, rekao je Wong, za Phys.org odakle prenosimo ovaj članak. Wong je profesor molekularne nanotehnologije na Sveučilištu Rice te profesor kemijskog i biomolekularnog inženjerstva, kemije te građevinskog i okolišnog inženjerstva. “Naš novi pristup nudi održivu i vrlo učinkovitu alternativu”, kazao je za Phys.org.
Ovaj tim fokusirao se u svom istraživanju na slojeviti materijal dvostrukog hidroksida (LDH) izrađen od bakra i aluminija, a kojega je Kim prvi put otkrio kao poslijediplomski student na KAIST-u 2021. godine. Tijekom eksperimentiranja s tim materijalima, Chung je otkrio da jedna formulacija s nitratom može adsorbirati PFAS s rekordnom učinkovitošću.
“Na moje zaprepaštenje, ovaj LDH spoj uhvatio je PFAS više od 1000 puta bolje od drugih materijala”, rekao je Chung, glavni autor studije, a sada suradnik na Riceovom institutu WaTER (Water Technologies, Entrepreneurship and Research) i Institutu za održivost. “Također je radio nevjerojatno brzo, uklanjajući velike količine PFAS-a u roku od nekoliko minuta, oko 100 puta brže od komercijalnih ugljičnih filtera”.
Učinkovitost materijala proizlazi iz njegove jedinstvene unutarnje strukture. Njegovi organizirani slojevi bakra i aluminija u kombinaciji s blagim neravnotežama naboja stvaraju idealno okruženje za vezanje molekula PFAS-a brzinom i snagom.
Kako bi testirali praktičnost tehnologije, tim je procijenio LDH materijal u riječnoj vodi, vodi iz slavine i otpadnim vodama. U svim slučajevima, pokazao se vrlo učinkovitim, dobro se pokazujući i u statičkim i u sustavima kontinuiranog protoka. Rezultati ukazuju na snažan potencijal za primjenu velikih razmjera u pročišćavanju komunalnih voda i industrijskom čišćenju.
Zatvaranje kruga: Hvatanje i uništavanje
Uklanjanje PFAS-a iz vode samo je dio izazova. Njihovo sigurno uništavanje jednako je važno. Surađujući s profesorima s Riceovog sveučilišta Pedrom Alvarezom i Jamesom Tourom, Chung je razvio metodu termičke razgradnje PFAS-a uhvaćenog na LDH materijalu. Zagrijavanjem zasićenog materijala kalcijevim karbonatom, tim je eliminirao više od polovice zarobljenih PFAS-a bez oslobađanja toksičnih nusprodukata. Značajno je da je proces također regenerirao LDH, omogućujući njegovu višestruku ponovnu upotrebu.
Preliminarne studije pokazale su da materijal može završiti najmanje šest punih ciklusa hvatanja, uništavanja i obnavljanja, što ga čini prvim poznatim ekološki prihvatljivim, održivim sustavom za uklanjanje PFAS-a.
“Uzbuđeni smo potencijalom ove jedinstvene tehnologije temeljene na LDH-u da u bliskoj budućnosti transformira način na koji se tretiraju izvori vode kontaminirani PFAS-om”, rekao je Wong. “To je rezultat izvanredne međunarodne suradnje i kreativnosti mladih istraživača”, zaključuje se u članku na Phys.org.