Chemikalia zawsze pozostają w wodzie i glebie. Ponieważ nie rozkładają się, trafiają do naszej wody i żywności, co prowadzi do skutków zdrowotnych, takich jak rak i zmniejszenia płodności.
W zeszłym miesiącu amerykańska Agencja Ochrony Środowiska zaproponowała podanie dwóch najpopularniejszych na zawsze chemikaliów, PFOA i PFOS, co pozwoliło naukowcom na ich śledzenie i planowanie działań porządkowych.
Teraz zespół naukowców z uniwersytet Waszyngtoński ma nowy sposób na zniszczenie PFOA i PFOS. Wymyślili nowy reaktor — wykorzystujący wodę w stanie nadkrytycznym, która powstaje w wysokiej temperaturze i ciśnieniu — do całkowitego rozbicia trudnych do zniszczenia chemikaliów. Ta technologia może przetwarzać stare zapasy, takie jak zawsze chemikalia w piance przeciwpożarowej, usuwać skoncentrowane zawsze chemikalia już obecne w środowisku i przetwarzać odpady przemysłowe.
Igor Novosselov, profesor nadzwyczajny inżynierii mechanicznej UW, powiedział: „Nasz reaktor zasadniczo podgrzewa wodę bardzo szybko, ale podgrzewa wodę inaczej niż gotowanie na makaron. Zazwyczaj, gdy podnosisz temperaturę, woda wrze i zamienia się w parę. Stamtąd woda i para nie osiągają temperatury wyższej niż 100 stopni Celsjusza (212 F).”
Sprężanie wody może zmienić tę równowagę i uzyskać temperaturę wrzenia w znacznie wyższych temperaturach. Zwiększenie ciśnienia może zwiększyć temperaturę wrzenia.
Woda w końcu przestanie zmieniać stany z cieczy w parę. Zamiast tego dochodzi do punktu krytycznego, w którym woda wchodzi w fazę nadkrytyczną, wyraźną stan materii. W tym przypadku woda nie jest cieczą ani gazem. Pada gdzieś pośrodku, a granice są trochę zamglone.
Połączenia cząsteczki wody przypominają zjonizowane cząstki w stanie podobnym do plazmy. Te częściowo oddzielone molekuły oscylują w bardzo wysokich temperaturach i z bardzo dużą szybkością. Cząsteczki organiczne nie mogą przetrwać w tak agresywnym i silnie korozyjnym środowisku.
Nowosselow powiedział: „Substancje chemiczne, które przetrwają wiecznie w normalnej wodzie, takie jak PFOS i PFOA, można rozłożyć w woda w stanie nadkrytycznym w bardzo wysokim tempie. Jeśli zapewnimy odpowiednie warunki, te oporne cząsteczki mogą zostać zniszczone, nie pozostawiając żadnych produktów pośrednich i dając jedynie nieszkodliwe substancje, takie jak dwutlenek węgla, wodai sole fluoru, często dodawane do miejskiej wody i pasty do zębów”.
„Pierwotnie zaprojektowaliśmy go do rozkładania chemicznych środków bojowych, które również są trudne do zniszczenia. Wykonanie reaktora zajęło nam pięć lat”.
„Były ważne pytania, takie jak: jak utrzymujemy rzeczy pod taką presją? Wewnątrz reaktora ciśnienie jest 200 razy wyższe niż na poziomie morza. Kolejne pytanie, jakie mieliśmy, brzmiało: w jaki sposób zapewniamy, że reaktor zapala się i pracuje w określonej temperaturze w trybie ciągłym?
Jak działa reaktor?
Reaktor zawiera grubą rurę ze stali nierdzewnej o długości około stopy i średnicy cala. Naukowcy mogą zmieniać temperaturę wewnątrz, aby dowiedzieć się, jak gorąco muszą przejść, aby zniszczyć substancję chemiczną. Niektóre chemikalia wymagają 400 C (752 F), a niektóre 650 C (1202 F).
Naukowcy nieustannie wprowadzają paliwo pilotowe, powietrze i substancję chemiczną, którą chcemy wyeliminować, jak PFOS, do wody w stanie nadkrytycznym w górnej części reaktora. Paliwo zapewnia ciepło wymagane do utrzymania połączenia w stanie nadkrytycznym, a PFOS szybko łączy się z tym agresywnym medium.
Ogólnie czas reakcji wynosi mniej niż minutę.
Nowosselow powiedział: „Na dnie reaktora mieszanina jest schładzana, aby uzyskać zarówno płynne, jak i gazowe wyładowanie. Możemy analizować, co jest zarówno w fazie ciekłej, jak i gazowej, aby zmierzyć, czy zniszczyliśmy substancję chemiczną”.
Naukowcy przeprowadzili ten sam eksperyment z PFOS i PFOA. EPA reguluje je oba. Stwierdzono, że PFOA znika w łagodnych warunkach nadkrytycznych (około 400 stopni C lub 750 F), ale PFOS nie. Dopiero gdy osiągnęliśmy 610 stopni C (1130 F), zobaczyliśmy zniszczenie PFOS.
W tej temperaturze PFOS i wszystkie półprodukty zostały zniszczone — w ciągu 30 sekund.
Testy PFOS wykazały, że kilka związków pośrednich, w tym PFOA, może powstać w niższych temperaturach. Niektóre z tych produktów rozpadu pojawiły się w fazie ciekłej, co sugeruje, że mogą je zawierać ścieki z zakładów produkcyjnych stosujących trwałe chemikalia. Ale inne półprodukty wychodzą w fazie gazowej, co jest problematyczne, ponieważ emisje gazów zwykle nie są regulowane.
Nowosiełow powiedziany, „Te cząsteczki zawierają fluor i wiemy, że te rodzaje gazów przyczyniają się do efektu cieplarnianego. W tej chwili nie mamy możliwości monitorowania zanieczyszczenia gazu w czasie rzeczywistym i nie wiemy, ile byśmy wyprodukowali, ani nawet ich dokładnego składu chemicznego”.
„Mamy kilka kolejnych kroków. Używaliśmy reaktora, aby zobaczyć, jak dobrze niszczy inne chemikalia na zawsze poza PFOS i PFOA. Oceniamy również, jak dobrze ta technologia może działać w rzeczywistych scenariuszach”.
Referencje czasopisma:
- Joanna Li, Igor V. Novosselov, et al. Zniszczenie PFOS w reaktorze ciągłego nadkrytycznego utleniania wody. Chemical Engineering Journal, DOI: 10.1016/j.cej.2022.139063
