Voor altijd blijven chemicaliën aanwezig in water en bodem. Omdat ze niet afbreken, komen ze in ons water en voedsel terecht, wat leidt tot gezondheidseffecten zoals kanker en verminderde vruchtbaarheid.
Vorige maand stelde de Amerikaanse Environmental Protection Agency voor om twee van de meest voorkomende chemicaliën voor altijd te geven, PFOA en PFOS, waardoor wetenschappers deze konden volgen en schoonmaakmaatregelen konden plannen.
Nu is een team van onderzoekers aan de Universiteit van Washington heeft een nieuwe manier om PFOA en PFOS te vernietigen. Ze bedachten een nieuwe reactor – die superkritisch water gebruikt, dat bij hoge temperatuur en druk wordt gevormd – om moeilijk te vernietigen chemicaliën volledig af te breken. Deze technologie kan oude voorraden behandelen, zoals de forever-chemicaliën in brandbestrijdingsschuim, geconcentreerde forever-chemicaliën verwijderen die al in het milieu aanwezig zijn, en industrieel afval behandelen.
Igor Novossilov, universitair hoofddocent werktuigbouwkunde aan de UW, zei: “Onze reactor verwarmt water in principe heel snel, maar het verwarmt water anders dan wanneer je het kookt voor pasta. Wanneer u de temperatuur verhoogt, kookt water meestal en verandert het in stoom. Vanaf daar worden het water en de stoom niet heter dan 100 graden Celsius (212 F).”
Het comprimeren van water kan dat evenwicht verschuiven en het kookpunt bereiken bij veel hogere temperaturen. Het verhogen van de druk kan de kooktemperatuur verhogen.
Het water zal uiteindelijk stoppen met het veranderen van de toestand van vloeistof naar damp. In plaats daarvan bereikt het een kritisch punt waarop water de superkritische fase binnengaat, een aparte fase staat van de materie. Water is in dit geval geen vloeistof of gas. Het valt ergens in het midden en de grenzen zijn een beetje wazig.
De watermoleculen lijken op geïoniseerde deeltjes in een plasma-achtige toestand. Deze gedeeltelijk gescheiden moleculen oscilleren bij zeer hoge temperaturen en zeer hoge snelheden. Organische moleculen kunnen niet overleven in zo’n agressieve en zeer corrosieve omgeving.
Novoselov zei: “Chemische stoffen die in normaal water eeuwig overleven, zoals PFOS en PFOA, kunnen daarin worden afgebroken superkritisch water tegen een zeer hoog tarief. Als de omstandigheden goed zijn, kunnen deze recalcitrante moleculen worden vernietigd, waardoor er geen tussenproducten overblijven en alleen onschadelijke stoffen ontstaan, zoals kooldioxide, wateren fluoridezouten, vaak toegevoegd aan gemeentelijk water en tandpasta.”
“We hebben het oorspronkelijk ontworpen om chemische oorlogsmiddelen af te breken, die ook moeilijk te vernietigen zijn. Het kostte ons vijf jaar om de reactor te maken.”
“Er waren belangrijke vragen zoals: hoe houden we de zaken onder die druk? In de reactor is de druk 200 keer hoger dan op zeeniveau. Een andere vraag die we hadden was: hoe zorgen we ervoor dat de reactor continu ontsteekt en op een bepaalde temperatuur werkt?
Hoe werkt de reactor?
De reactor bevat een dikke roestvrijstalen pijp van ongeveer 400 cm lang en 752 cm in diameter. Wetenschappers kunnen de temperatuur binnenin variëren om erachter te komen hoe heet ze moeten zijn om een chemische stof te vernietigen. Voor sommige chemicaliën is een temperatuur van 650 C (1202 F) nodig, en ongeveer XNUMX C (XNUMX F).
Wetenschappers introduceren voortdurend pilootbrandstof, lucht en de chemische stof die we willen elimineren, zoals PFOS, in het superkritische water bovenaan de reactor. De brandstof levert de warmte die nodig is om de combinatie superkritisch te houden, en de PFOS combineert snel met dit agressieve medium.
In totaal bedraagt de reactietijd minder dan een minuut.
Novoselov zei: “Onderin de reactor wordt het mengsel afgekoeld, waardoor zowel vloeistof- als gasafvoer ontstaat. We kunnen analyseren wat zich in zowel de vloeibare als de gasfase bevindt om te meten of we de chemische stof hebben vernietigd.’
Wetenschappers voerden hetzelfde experiment uit met PFOS en PFOA. De EPA reguleert ze allebei. Er werd vastgesteld dat PFOA verdwijnt onder milde, superkritische omstandigheden (rond de 400 graden C of 750 F), maar PFOS niet. Het duurde tot we 610 graden C (1130 F) bereikten voordat we de vernietiging van PFOS konden zien.
Bij die temperatuur werden PFOS en alle tussenproducten vernietigd – binnen 30 seconden.
Uit PFOS-testen bleek dat verschillende tussenverbindingen, waaronder PFOA, zich bij lagere temperaturen kunnen ontwikkelen. Sommige van deze afbraakproducten kwamen in de vloeibare fase tevoorschijn, wat erop wijst dat effluent van productiefaciliteiten die permanente chemicaliën gebruiken deze mogelijk bevatten. Maar in de gasfase komen er ook andere tussenproducten op de markt, wat problematisch is omdat de gasemissies doorgaans niet gereguleerd zijn.
Novossilov zei, “Deze moleculen bevatten fluor en we weten dat dit soort gassen bijdragen aan de broeikaseffecten. Op dit moment hebben we geen manier om de gasvervuiling in realtime te monitoren, en we weten niet hoeveel we zouden produceren of zelfs maar de exacte chemische samenstelling ervan.”
“We hebben een paar volgende stappen. We hebben de reactor gebruikt om te zien hoe goed hij naast PFOS en PFOA ook andere forever-chemicaliën vernietigt. We beoordelen ook hoe goed deze technologie zou kunnen werken voor scenario’s in de echte wereld.”
Journal Reference:
- Joanna Li, Igor V.Novosselov, et al. PFOS-vernietiging in een continue superkritische wateroxidatiereactor. Chemical Engineering Journal DOI: 10.1016/j.cej.2022.139063
