Per sempre le sostanze chimiche persistono nell'acqua e nel suolo. Poiché non si rompono, finiscono nell'acqua e nel cibo, causando effetti sulla salute come il cancro e una diminuzione della fertilità.
Il mese scorso, l'Agenzia per la protezione ambientale degli Stati Uniti ha proposto di fornire due delle sostanze chimiche per sempre più comuni, PFOA e PFOS, che hanno consentito agli scienziati di rintracciarle e pianificare misure di pulizia.
Ora un team di ricercatori al Università di Washington ha un nuovo modo per distruggere PFOA e PFOS. Hanno ideato un nuovo reattore, che utilizza acqua supercritica, che si forma ad alta temperatura e pressione, per abbattere completamente le sostanze chimiche difficili da distruggere. Questa tecnologia può trattare vecchi stock, come le sostanze chimiche per sempre nella schiuma antincendio, rimuovere le sostanze chimiche concentrate già presenti nell'ambiente e trattare i rifiuti industriali.
Igor Novosselov, professore associato di ingegneria meccanica della UW, ha dichiarato: “Il nostro reattore in pratica riscalda l'acqua molto velocemente, ma riscalda l'acqua in modo diverso rispetto a quando la fai bollire per la pasta. In genere, quando si alza la temperatura, l'acqua bolle e si trasforma in vapore. Da lì, l'acqua e il vapore non diventano più caldi di 100 gradi Celsius (212 F)."
La compressione dell'acqua può spostare quell'equilibrio e ottenere quel punto di ebollizione a temperature molto più calde. L'aumento della pressione può aumentare la temperatura di ebollizione.
L'acqua alla fine smetterà di cambiare stato da liquido a vapore. Invece, raggiunge un punto critico in cui l'acqua entra nella fase supercritica, una distinta stato della materia. L'acqua non è un liquido o un gas in questo caso. Cade da qualche parte nel mezzo e i confini sono un po' confusi.
I molecole d'acqua assomigliano a particelle ionizzate in uno stato simile al plasma. Queste molecole parzialmente separate oscillano a temperature molto elevate e velocità molto elevate. Le molecole organiche non possono sopravvivere in un ambiente così aggressivo e altamente corrosivo.
Novosselov ha detto, “Le sostanze chimiche che sopravvivono per sempre nell'acqua normale, come PFOS e PFOA, possono essere scomposte acqua supercritica ad un ritmo molto alto. Se otteniamo le condizioni giuste, queste molecole recalcitranti possono essere distrutte, senza lasciare prodotti intermedi e producendo solo sostanze innocue, come anidride carbonica, acqua, e sali di fluoro, spesso aggiunti all'acqua municipale e al dentifricio.
“Inizialmente l'abbiamo progettato per abbattere gli agenti di guerra chimica, che sono anche difficili da distruggere. Ci sono voluti cinque anni per realizzare il reattore”.
"C'erano domande significative come, come manteniamo le cose a quella pressione? All'interno del reattore, la pressione è 200 volte superiore a quella al livello del mare. Un'altra domanda che ci siamo posti è stata: come possiamo garantire che il reattore si accenda e funzioni a una temperatura designata in modalità continua?"
Come funziona il reattore?
Il reattore contiene uno spesso tubo di acciaio inossidabile lungo circa un piede e un pollice di diametro. Gli scienziati possono variare la temperatura all'interno per capire quanto caldo devono raggiungere per distruggere una sostanza chimica. Alcune sostanze chimiche richiedono 400 C (752 F) e circa 650 C (1202 F).
Gli scienziati introducono continuamente carburante pilota, aria e la sostanza chimica che desideriamo eliminare, come il PFOS, nell'acqua supercritica nella parte superiore del reattore. Il carburante fornisce il calore necessario per mantenere la combinazione supercritica e il PFOS si combina rapidamente con questo mezzo aggressivo.
Nel complesso, il tempo di reazione è inferiore a un minuto.
Novosselov ha detto, “Sul fondo del reattore, la miscela viene raffreddata per produrre sia lo scarico liquido che quello gassoso. Possiamo analizzare cosa c'è sia nella fase liquida che in quella gassosa per misurare se abbiamo distrutto la sostanza chimica".
Gli scienziati hanno eseguito lo stesso esperimento con PFOS e PFOA. L'EPA li regola entrambi. È stato scoperto che il PFOA scompare in condizioni supercritiche lievi (circa 400 gradi C o 750 F), ma non il PFOS. Ci sono voluti fino a quando abbiamo raggiunto 610 gradi C (1130 F) per vedere la distruzione di PFOS.
A quella temperatura, il PFOS e tutti gli intermedi sono stati distrutti, nel giro di 30 secondi.
I test PFOS hanno rivelato che diversi composti intermedi, incluso il PFOA, possono svilupparsi a temperature più basse. Alcuni di questi prodotti di degradazione sono emersi nella fase liquida, suggerendo che gli effluenti degli impianti di produzione che utilizzano sostanze chimiche permanenti potrebbero contenerli. Ma altri intermedi stanno uscendo nella fase gassosa, il che è problematico perché le emissioni di gas non sono in genere regolamentate.
Novoselov disse, “Queste molecole contengono fluoro e sappiamo che questi tipi di gas contribuiscono agli effetti serra. In questo momento, non abbiamo un modo per monitorare l'inquinamento da gas in tempo reale e non sappiamo quanto produrremmo e nemmeno la loro esatta composizione chimica".
“Abbiamo alcuni passi successivi. Abbiamo usato il reattore per vedere quanto bene distrugge altre sostanze chimiche per sempre oltre a PFOS e PFOA. Valutiamo anche quanto bene questa tecnologia potrebbe funzionare per scenari del mondo reale".
Riferimento della Gazzetta:
- Joanna Li, Igor V.Novosselov, et al. Distruzione di PFOS in un reattore di ossidazione ad acqua supercritica continua. Giornale di ingegneria chimica. DOI: 10.1016/j.cej.2022.139063
