Kemikalier kvarstår för alltid i vatten och jord. Eftersom de inte bryts ner hamnar de i vårt vatten och mat, vilket leder till hälsoeffekter som cancer och minskad fertilitet.
Förra månaden föreslog den amerikanska miljöskyddsmyndigheten att ge två av de vanligaste kemikalierna för evigt, PFOA och PFOS, vilket gjorde det möjligt för forskare att spåra dem och planera saneringsåtgärder.
Nu ett team av forskare vid University of Washington har ett nytt sätt att förstöra PFOA och PFOS. De kom med en ny reaktor - som använder superkritiskt vatten, som bildas vid hög temperatur och tryck - för att bryta ner svårförstörbara kemikalier helt. Denna teknik kan behandla gamla råvaror, såsom de eviga kemikalierna i brandsläckningsskum, ta bort koncentrerade eviga kemikalier som redan finns i miljön och behandla industriavfall.
Igor Novosselov, en UW forskningsdocent i maskinteknik, sa, ”Vår reaktor värmer i princip vatten väldigt snabbt, men den värmer vatten annorlunda än när man kokar det till pasta. Vanligtvis, när du höjer temperaturen, kokar vattnet och förvandlas till ånga. Därifrån blir vattnet och ångan inte varmare än 100 grader Celsius (212 F).
Att komprimera vatten kan förändra den jämvikten och få den kokpunkten vid mycket varmare temperaturer. Att öka trycket kan öka koktemperaturen.
Vattnet kommer så småningom att sluta ändra tillstånd från vätska till ånga. Istället når det en kritisk punkt där vatten går in i den superkritiska fasen, en distinkt materiens tillstånd. Vatten är inte en vätska eller en gas i detta fall. Det faller någonstans i mitten, och gränserna är lite disiga.
Smakämnen vattenmolekyler liknar joniserade partiklar i ett plasmaliknande tillstånd. Dessa delvis separerade molekyler oscillerar vid mycket höga temperaturer och mycket snabba hastigheter. Organiska molekyler kan inte överleva i en så aggressiv och starkt korrosiv miljö.
Novosselov sa, "Kemikalier som överlever för evigt i normalt vatten, som PFOS och PFOA, kan brytas ner i superkritiskt vatten i mycket hög takt. Får vi förutsättningarna rätt kan dessa motsträviga molekyler förstöras, utan att lämna några mellanprodukter och endast ge ofarliga ämnen, som t.ex. koldioxid, vatten, och fluorsalter, ofta tillsatta i kommunalt vatten och tandkräm.”
"Vi designade den ursprungligen för att bryta ner kemiska krigföringsmedel, som också är svåra att förstöra. Det tog oss fem år att tillverka reaktorn."
"Det fanns viktiga frågor som, hur håller vi saker och ting vid den pressen? Inuti reaktorn är trycket 200 gånger högre än vid havsnivån. En annan fråga vi hade var: Hur säkerställer vi att reaktorn tänds och arbetar vid en angiven temperatur i kontinuerligt läge?
Hur fungerar reaktorn?
Reaktorn innehåller ett tjockt rör av rostfritt stål som är cirka en fot långt och en tum i diameter. Forskare kan variera temperaturen inuti för att ta reda på hur varmt de måste gå för att förstöra en kemikalie. Vissa kemikalier kräver 400 C (752 F), och vissa 650 C (1202 F).
Forskare introducerar kontinuerligt pilotbränsle, luft och den kemikalie som vi vill eliminera, som PFOS, i det superkritiska vattnet på toppen av reaktorn. Bränslet ger den värme som krävs för att hålla kombinationen superkritisk, och PFOS kombineras snabbt med detta aggressiva medium.
Totalt sett är reaktionstiden mindre än en minut.
Novosselov sa, – I botten av reaktorn kyls blandningen ner för att ge både vätske- och gasutsläpp. Vi kan analysera vad som finns i både vätske- och gasfasen för att mäta om vi har förstört kemikalien.”
Forskare utförde samma experiment med PFOS och PFOA. EPA reglerar dem båda. Det visade sig att PFOA försvinner vid milda superkritiska förhållanden (cirka 400 grader C eller 750 F), men PFOS gör det inte. Det tog tills vi nådde 610 grader C (1130 F) för att se förstörelsen av PFOS.
Vid den temperaturen förstördes PFOS och alla intermediärer - på 30 sekunder.
PFOS-tester visade att flera mellanliggande föreningar, inklusive PFOA, kan utvecklas vid lägre temperaturer. Vissa av dessa nedbrytningsprodukter uppstod i flytande fas, vilket tyder på att avloppsvatten från tillverkningsanläggningar som använder permanenta kemikalier kan innehålla dem. Men andra intermediärer kommer ut i gasfasen, vilket är problematiskt eftersom gasutsläpp vanligtvis inte regleras.
Novosselov sade, "De här molekylerna innehåller fluor, och vi vet att dessa typer av gaser bidrar till växthuseffekter. Just nu har vi inget sätt att övervaka gasföroreningarna i realtid, och vi vet inte hur mycket vi skulle producera eller ens deras exakta kemiska sammansättning.”
"Vi har några nästa steg. Vi har använt reaktorn för att se hur väl den förstör andra eviga kemikalier förutom PFOS och PFOA. Vi bedömer också hur väl den här tekniken skulle kunna fungera för verkliga scenarier."
Tidskriftsreferens:
- Joanna Li, Igor V.Novosselov, et al. PFOS-destruktion i en kontinuerlig superkritisk vattenoxidationsreaktor. Chemical Engineering Journal. DOI: 10.1016/j.cej.2022.139063
