المواد الكيميائية تبقى إلى الأبد في الماء والتربة. نظرًا لأنها لا تتحلل ، ينتهي بها الأمر في الماء والغذاء ، مما يؤدي إلى آثار صحية مثل السرطان ، وانخفاض الخصوبة.
في الشهر الماضي ، اقترحت وكالة حماية البيئة الأمريكية إعطاء اثنين من أكثر المواد الكيميائية شيوعًا إلى الأبد ، PFOA و PFOS ، مما سمح للعلماء بتتبعها والتخطيط لإجراءات التنظيف.
الآن فريق من الباحثين في جامعة واشنطن طريقة جديدة لتدمير PFOA و PFOS. لقد توصلوا إلى مفاعل جديد - يستخدم الماء فوق الحرج ، والذي يتكون عند درجة حرارة وضغط مرتفعين - لتفكيك المواد الكيميائية التي يصعب تدميرها تمامًا. قد تعالج هذه التقنية المخزونات القديمة ، مثل المواد الكيميائية إلى الأبد في رغوة مكافحة الحرائق ، وإزالة المواد الكيميائية المركزة الموجودة بالفعل في البيئة إلى الأبد ، ومعالجة النفايات الصناعية.
قال إيغور نوفوسيلوف ، أستاذ الهندسة الميكانيكية في جامعة ويسكونسن ، "يقوم مفاعلنا بشكل أساسي بتسخين الماء بسرعة كبيرة ، ولكنه يسخن الماء بشكل مختلف عما يحدث عند غليه من أجل المعكرونة. عادة ، عندما ترفع درجة الحرارة ، يغلي الماء ويتحول إلى بخار. من هناك ، لا تسخن المياه والبخار عن 100 درجة مئوية (212 فهرنهايت) ".
يمكن أن يؤدي ضغط الماء إلى تحويل هذا التوازن والحصول على نقطة الغليان عند درجات حرارة أعلى بكثير. يمكن أن تؤدي زيادة الضغط إلى زيادة درجة حرارة الغليان.
سيتوقف الماء في النهاية عن تغيير الحالة من سائل إلى بخار. بدلاً من ذلك ، تصل إلى نقطة حرجة حيث يدخل الماء في المرحلة فوق الحرجة ، وهي مميزة حالة المادة. الماء ليس سائلًا أو غازًا في هذه الحالة. إنه يقع في مكان ما في الوسط ، والحدود ضبابية بعض الشيء.
• جزيئات الماء تشبه الجسيمات المتأينة في حالة شبيهة بالبلازما. تتذبذب هذه الجزيئات المنفصلة جزئيًا عند درجات حرارة عالية جدًا ومعدلات سريعة جدًا. لا يمكن للجزيئات العضوية البقاء على قيد الحياة في مثل هذه البيئة العدوانية وشديدة التآكل.
قال نوفوسيلوف ، "المواد الكيميائية التي تبقى إلى الأبد في المياه العادية ، مثل حامض السلفونيك البيرفلوروكتاني و PFOA ، يمكن أن تتحلل فيها الماء فوق الحرج بمعدل مرتفع جدًا. إذا توصلنا إلى الظروف المناسبة ، يمكن تدمير هذه الجزيئات المتمردة ، دون ترك أي منتجات وسيطة وإنتاج مواد غير ضارة فقط ، مثل ثاني أكسيد الكربون, ماء، وأملاح الفلوريد ، التي تضاف غالبًا إلى المياه البلدية ومعجون الأسنان ".
لقد صممناه في الأصل لتحطيم عوامل الحرب الكيميائية ، والتي يصعب تدميرها أيضًا. لقد استغرق الأمر منا خمس سنوات لصنع المفاعل ".
"كانت هناك أسئلة مهمة مثل ، كيف نبقي الأمور تحت هذا الضغط؟ داخل المفاعل ، يكون الضغط 200 مرة أعلى من مستوى سطح البحر. كان هناك سؤال آخر كان: كيف نتأكد من اشتعال المفاعل وتشغيله عند درجة حرارة معينة في الوضع المستمر؟ "
كيف يعمل المفاعل؟
يحتوي المفاعل على أنبوب سميك من الفولاذ المقاوم للصدأ يبلغ طوله حوالي قدم وقطره بوصة واحدة. يمكن للعلماء تغيير درجة الحرارة في الداخل لمعرفة مدى الحرارة التي يحتاجون إليها لتدمير مادة كيميائية. تتطلب بعض المواد الكيميائية 400 درجة مئوية (752 فهرنهايت) ، وحوالي 650 درجة مئوية (1202 فهرنهايت).
يقوم العلماء باستمرار بإدخال الوقود التجريبي والهواء والمواد الكيميائية التي نرغب في التخلص منها ، مثل السلفونات المشبعة بالفلور أوكتين ، في الماء فوق الحرج في الجزء العلوي من المفاعل. يوفر الوقود الحرارة اللازمة للحفاظ على التركيبة فوق الحرجة ، وتتحد سلفونات الأوكتين المشبعة بالفلور بسرعة مع هذه الوسيلة العدوانية.
بشكل عام ، يكون وقت رد الفعل أقل من دقيقة.
قال نوفوسيلوف ، "في الجزء السفلي من المفاعل ، يتم تبريد الخليط للحصول على كل من تصريف السائل والغاز. يمكننا تحليل ما هو موجود في كل من مرحلتي السائل والغاز لقياس ما إذا كنا قد دمرنا المادة الكيميائية ".
أجرى العلماء نفس التجربة باستخدام حامض السلفونيك البيرفلوروكتاني و PFOA. تنظمهم وكالة حماية البيئة على حد سواء. لقد وجد أن حمض بيرفلورو الأوكتين (PFOA) يختفي في ظروف فوق حرجة معتدلة (حوالي 400 درجة مئوية أو 750 فهرنهايت) ، لكن سلفونات الأوكتين المشبعة بالفلور لا تختفي. استغرق الأمر حتى وصلنا إلى 610 درجة مئوية (1130 فهرنهايت) لنرى تدمير سلفونات الأوكتين المشبعة بالفلور.
عند درجة الحرارة هذه ، تم تدمير سلفونات الأوكتين المشبعة بالفلور وجميع المواد الوسيطة - في غضون 30 ثانية.
كشفت اختبارات السلفونات المشبعة بالفلور أوكتين أن عدة مركبات وسيطة ، بما في ذلك حمض بيرفلورو الأوكتين (PFOA) ، يمكن أن تتطور في درجات حرارة منخفضة. ظهرت بعض منتجات التحلل هذه في المرحلة السائلة ، مما يشير إلى أن النفايات السائلة من مرافق التصنيع التي تستخدم مواد كيميائية دائمة قد تحتوي عليها. لكن هناك مواد وسيطة أخرى تخرج في مرحلة الغاز ، وهو ما يمثل مشكلة لأن انبعاثات الغاز لا يتم تنظيمها عادة.
نوفوسيلوف محمد, "تحتوي هذه الجزيئات على الفلور ، ونحن نعلم أن هذه الأنواع من الغازات تساهم في تأثيرات الاحتباس الحراري. في الوقت الحالي ، ليس لدينا طريقة لرصد تلوث الغاز في الوقت الفعلي ، ولا نعرف مقدار ما سننتجه أو حتى تركيبته الكيميائية الدقيقة ".
"لدينا بضع خطوات تالية. لقد استخدمنا المفاعل لمعرفة مدى نجاحه في تدمير المواد الكيميائية الأخرى إلى الأبد إلى جانب حامض السلفونيك البيرفلوروكتاني و PFOA. نقوم أيضًا بتقييم مدى نجاح هذه التقنية في العمل مع سيناريوهات العالم الحقيقي ".
المرجع مجلة:
- جوانا لي ، إيغور في نوفوسيلوف ، وآخرون. تدمير السلفونات المشبعة بالفلور أوكتين في مفاعل أكسدة ماء فوق الحرج مستمر. مجلة الهندسة الكيميائية. دوى: 10.1016 / j.cej.2022.139063
