Jeśli rozpaczasz z powodu ostatnich doniesień, że źródła wody na Ziemi zostały całkowicie zaatakowane przez niebezpieczne chemikalia wytwarzane przez człowieka, zwane PFAS, które mogą przetrwać tysiące lat, czyniąc nawet wodę deszczową niebezpieczną do picia, to jest miejsce dobrej wiadomości.
Chemicy z UCLA i Northwestern University opracowali prosty sposób na rozbicie prawie tuzina rodzajów tych prawie niezniszczalnych „wiecznych chemikaliów” w stosunkowo niskich temperaturach, bez szkodliwych produktów ubocznych.
W artykule opublikowanym dzisiaj w czasopiśmie Science naukowcy wykazali, że w wodzie ogrzanej do zaledwie 176 do 248 stopni Fahrenheita, powszechne, niedrogie rozpuszczalniki i odczynniki zerwały wiązania molekularne w PFAS, które należą do najsilniejszych znanych i zapoczątkowały reakcję chemiczną, która „stopniowo gryzła molekułę, aż zniknęła, powiedział wybitny profesor UCLA i współautor korespondent Kendall Houk.
Prosta technologia, stosunkowo niskie temperatury i brak szkodliwych produktów ubocznych oznaczają, że nie ma ograniczeń co do ilości wody, którą można przetworzyć na raz, dodał Houk. Technologia może ostatecznie ułatwić oczyszczalni ścieków usuwanie PFAS z wody pitnej.
Substancje per- i polifluoroalkilowe – w skrócie PFAS – to klasa około 12 000 syntetycznych chemikaliów, które były używane od lat 40. XX wieku w naczyniach nieprzywierających, wodoodpornych makijażach, szamponach, elektronice, opakowaniach żywności i niezliczonych innych produktach. Zawierają wiązanie między atomami węgla i fluoru, którego nic w naturze nie może zerwać.
Kiedy te chemikalia przedostają się do środowiska podczas produkcji lub codziennego użytkowania produktów, stają się częścią obiegu wody na Ziemi. W ciągu ostatnich 70 lat PFAS zanieczyściły praktycznie każdą kroplę wody na planecie, a ich silne wiązanie węgiel-fluor pozwala im przejść przez większość systemów uzdatniania wody całkowicie bez szwanku. Mogą z czasem gromadzić się w tkankach ludzi i zwierząt i powodować szkody w sposób, który naukowcy dopiero zaczynają rozumieć. Na przykład niektóre nowotwory i choroby tarczycy są związane z PFAS.
Z tych powodów znalezienie sposobów na usunięcie PFAS z wody stało się szczególnie pilne. Naukowcy eksperymentują z wieloma technologiami remediacji, ale większość z nich wymaga ekstremalnie wysokich temperatur, specjalnych chemikaliów lub światła ultrafioletowego i czasami wytwarza produkty uboczne, które również są szkodliwe i wymagają dodatkowych kroków w celu usunięcia.
Prowadzenie PFAS na gilotynę
Profesor chemii z Northwestern William Dichtel i doktorantka Brittany Trang zauważyli, że chociaż cząsteczki PFAS zawierają długi „ogon” upartych wiązań węgiel-fluor, ich grupa „głowa” często zawiera naładowane atomy tlenu, które silnie reagują z innymi cząsteczkami. Zespół Dichtela zbudował chemiczną gilotynę, ogrzewając PFAS w wodzie z dimetylosulfotlenkiem, znanym również jako DMSO i wodorotlenkiem sodu lub ługiem, który odciął głowę i pozostawił odsłonięty, reaktywny ogon.
„To wywołało wszystkie te reakcje i zaczęło wypluwać atomy fluoru z tych związków, tworząc fluor, który jest najbezpieczniejszą formą fluoru” – powiedział Dichtel. „Chociaż wiązania węgiel-fluor są super silne, ta naładowana głowa jest piętą achillesową”.
Ale eksperymenty ujawniły kolejną niespodziankę: molekuły nie wydawały się rozpadać tak, jak mówi konwencjonalna mądrość.
Aby rozwiązać tę zagadkę, Dichtel i Trang podzielili się swoimi danymi ze współpracownikami Houkiem i studentem Uniwersytetu Tianjin Yuli Li, który podczas pandemii pracował w grupie Houka zdalnie z Chin. Naukowcy spodziewali się, że cząsteczki PFAS rozpadną się po jednym atomie węgla na raz, ale Li i Houk przeprowadzili symulacje komputerowe, które wykazały, że dwie lub trzy cząsteczki węgla jednocześnie odrywają cząsteczki, tak jak zaobserwowali eksperymentalnie Dichtel i Tang.
Symulacje wykazały również, że jedynymi produktami ubocznymi powinny być fluor – często dodawany do wody pitnej w celu zapobiegania próchnicy – dwutlenek węgla i kwas mrówkowy, które nie są szkodliwe. Dichtel i Trang potwierdzili te przewidywane produkty uboczne w dalszych eksperymentach.
„Okazało się, że jest to bardzo złożony zestaw obliczeń, który rzucił wyzwanie najnowocześniejszym metodom mechaniki kwantowej i najszybszym dostępnym dla nas komputerom” – powiedział Houk. „Mechanika kwantowa to metoda matematyczna, która symuluje całą chemię, ale dopiero w ostatniej dekadzie byliśmy w stanie zająć się dużymi problemami mechanistycznymi, takimi jak ten, oceniając wszystkie możliwości i określając, które z nich mogą się zdarzyć w obserwowanym tempie”.
Li, powiedział Houk, opanował te metody obliczeniowe i pracował z Trangiem na duże odległości, aby rozwiązać podstawowy, ale praktycznie istotny problem.
Obecna praca doprowadziła do degradacji 10 rodzajów kwasów perfluoroalkilokarboksylowych (PFCA) i kwasów karboksylowych eteru perfluoroalkilowego (PFECA), w tym kwasu perfluorooktanowego (PFOA). Naukowcy są przekonani, że ich metoda zadziała w przypadku większości PFAS zawierających kwasy karboksylowe i mają nadzieję, że pomoże zidentyfikować słabe punkty w innych klasach PFAS. Mają nadzieję, że te zachęcające wyniki doprowadzą do dalszych badań, które testują metody zwalczania tysięcy innych rodzajów PFAS.
Badanie „Niskotemperaturowa mineralizacja kwasów perfluorokarboksylowych” zostało wsparte przez National Science Foundation.