Chemikalien bleiben für immer in Wasser und Boden. Da sie nicht abgebaut werden, landen sie in unserem Wasser und unserer Nahrung, was zu gesundheitlichen Auswirkungen wie Krebs und verminderter Fruchtbarkeit führt.
Im vergangenen Monat schlug die US-Umweltschutzbehörde vor, zwei der am häufigsten vorkommenden Chemikalien, PFOA und PFOS, zu verabreichen, was es Wissenschaftlern ermöglichte, sie zu verfolgen und Sanierungsmaßnahmen zu planen.
Jetzt hat ein Team von Forschern an der Universität von Washington hat einen neuen Weg, PFOA und PFOS zu zerstören. Sie entwickelten einen neuen Reaktor, der überkritisches Wasser verwendet, das bei hoher Temperatur und hohem Druck gebildet wird, um schwer zu zerstörende Chemikalien vollständig abzubauen. Diese Technologie kann Altbestände behandeln, wie z. B. die Dauerchemikalien in Feuerlöschschaum, konzentrierte Dauerchemikalien, die bereits in der Umwelt vorhanden sind, entfernen und Industrieabfälle behandeln.
Igor Novosselov, ein wissenschaftlicher außerordentlicher Professor für Maschinenbau an der UW, sagte: „Unser Reaktor erhitzt Wasser grundsätzlich sehr schnell, aber er erhitzt Wasser anders, als wenn man es für Nudeln kocht. Wenn Sie die Temperatur erhöhen, kocht das Wasser normalerweise und verwandelt sich in Dampf. Von dort werden Wasser und Dampf nicht heißer als 100 Grad Celsius (212 F).“
Das Komprimieren von Wasser kann dieses Gleichgewicht verschieben und diesen Siedepunkt bei viel heißeren Temperaturen erreichen. Eine Erhöhung des Drucks kann die Siedetemperatur erhöhen.
Das Wasser wird schließlich aufhören, seinen Zustand von flüssig zu dampfförmig zu ändern. Stattdessen erreicht es einen kritischen Punkt, an dem Wasser in die überkritische Phase eintritt, eine ausgeprägte Aggregatszustand. Wasser ist in diesem Fall weder eine Flüssigkeit noch ein Gas. Es fällt irgendwo in die Mitte, und die Grenzen sind ein wenig verschwommen.
Das Wassermoleküle ähneln ionisierten Teilchen in einem plasmaähnlichen Zustand. Diese teilweise getrennten Moleküle oszillieren bei sehr hohen Temperaturen und sehr schnellen Geschwindigkeiten. Organische Moleküle können in einer solch aggressiven und hochkorrosiven Umgebung nicht überleben.
Nowosselow sagte: „Chemikalien, die in normalem Wasser ewig überleben, wie PFOS und PFOA, können abgebaut werden überkritisches Wasser zu einem sehr hohen Preis. Wenn wir die richtigen Bedingungen schaffen, können diese widerspenstigen Moleküle zerstört werden, wobei keine Zwischenprodukte zurückbleiben und nur harmlose Substanzen wie z Kohlendioxid, Wasserund Fluoridsalze, die häufig kommunalem Wasser und Zahnpasta zugesetzt werden.“
„Wir haben es ursprünglich entwickelt, um chemische Kampfstoffe abzubauen, die auch schwer zu zerstören sind. Wir haben fünf Jahre gebraucht, um den Reaktor herzustellen.“
„Es gab wichtige Fragen wie: Wie halten wir die Dinge unter diesem Druck? Im Inneren des Reaktors herrscht ein 200-mal höherer Druck als auf Meereshöhe. Eine weitere Frage, die wir hatten, war: Wie stellen wir sicher, dass der Reaktor zündet und bei einer bestimmten Temperatur im kontinuierlichen Modus arbeitet?“
Wie funktioniert der Reaktor?
Der Reaktor enthält ein dickes Edelstahlrohr mit einer Länge von etwa einem Fuß und einem Durchmesser von einem Zoll. Wissenschaftler können die Temperatur im Inneren variieren, um herauszufinden, wie heiß sie werden müssen, um eine Chemikalie zu zerstören. Einige Chemikalien erfordern 400 C (752 F) und einige 650 C (1202 F).
Wissenschaftler führen kontinuierlich Pilotbrennstoff, Luft und die Chemikalie, die wir eliminieren möchten, wie PFOS, in das überkritische Wasser oben im Reaktor ein. Der Brennstoff liefert die Wärme, die erforderlich ist, um die Kombination überkritisch zu halten, und das PFOS verbindet sich schnell mit diesem aggressiven Medium.
Insgesamt beträgt die Reaktionszeit weniger als eine Minute.
Nowosselow sagte: „Am Boden des Reaktors wird die Mischung abgekühlt, um sowohl einen flüssigen als auch einen gasförmigen Austrag zu erhalten. Wir können analysieren, was sich sowohl in der flüssigen als auch in der gasförmigen Phase befindet, um zu messen, ob wir die Chemikalie zerstört haben.“
Wissenschaftler führten das gleiche Experiment mit PFOS und PFOA durch. Die EPA regelt sie beide. Es wurde festgestellt, dass PFOA bei milden überkritischen Bedingungen (um 400 Grad C oder 750 F) verschwindet, PFOS jedoch nicht. Es dauerte, bis wir 610 Grad C (1130 F) erreichten, um die Zerstörung von PFOS zu sehen.
Bei dieser Temperatur wurden PFOS und alle Zwischenprodukte zerstört – innerhalb von 30 Sekunden.
PFOS-Tests haben gezeigt, dass mehrere Zwischenverbindungen, einschließlich PFOA, bei niedrigeren Temperaturen entstehen können. Einige dieser Abbauprodukte traten in der flüssigen Phase auf, was darauf hindeutet, dass Abwässer aus Produktionsanlagen, in denen permanente Chemikalien verwendet werden, diese enthalten können. Aber andere Zwischenprodukte gelangen in die Gasphase, was problematisch ist, da Gasemissionen normalerweise nicht reguliert werden.
Nowosselow sagte, „Diese Moleküle enthalten Fluor, und wir wissen, dass diese Arten von Gasen zu Treibhauseffekten beitragen. Im Moment haben wir keine Möglichkeit, die Gasverschmutzung in Echtzeit zu überwachen, und wir wissen nicht, wie viel wir produzieren würden oder sogar ihre genaue chemische Zusammensetzung.“
„Wir haben ein paar nächste Schritte. Wir haben den Reaktor benutzt, um zu sehen, wie gut er neben PFOS und PFOA auch andere ewige Chemikalien zerstört. Wir bewerten auch, wie gut diese Technologie für reale Szenarien funktionieren könnte.“
Journal Referenz:
- Joanna Li, Igor V. Novosselov, et al. PFOS-Zerstörung in einem kontinuierlichen überkritischen Wasseroxidationsreaktor. Chemical Engineering Journal. DOI: 10.1016/j.cej.2022.139063
