Хімічні речовини назавжди залишаються у воді та ґрунті. Оскільки вони не руйнуються, вони потрапляють у нашу воду та їжу, що призводить до таких наслідків для здоров’я, як рак і зниження фертильності.
Минулого місяця Агентство з охорони навколишнього середовища США запропонувало надати два найпоширеніші хімічні речовини назавжди, PFOA та PFOS, що дозволило вченим відстежувати їх і планувати заходи з очищення.
Зараз команда дослідників на Університет Вашингтона має новий спосіб знищення PFOA та PFOS. Вони винайшли новий реактор, у якому використовується надкритична вода, що утворюється при високій температурі та тиску, щоб повністю розщепити хімікати, які важко знищити. Ця технологія може обробляти старі запаси, такі як вічно хімічні речовини у протипожежній піні, видаляти концентровані вічно хімічні речовини, які вже присутні в навколишньому середовищі, і очищати промислові відходи.
Ігор Новосьєлов, науковий доцент кафедри машинобудування УВ, сказав: «Наш реактор по суті нагріває воду дуже швидко, але він нагріває воду інакше, ніж коли ви варите її для макаронів. Як правило, коли ви підвищуєте температуру, вода закипає і перетворюється на пару. Звідти вода й пара не нагріваються вище 100 градусів Цельсія (212 F)».
Стиснення води може змінити цю рівновагу та досягти точки кипіння при набагато вищих температурах. Підвищення тиску може збільшити температуру кипіння.
Зрештою вода перестане змінювати стани з рідкого на пароподібний. Замість цього він досягає критичної точки, коли вода переходить у надкритичну фазу, окрему стан речовини. У цьому випадку вода не є рідиною чи газом. Він припадає десь на середину, і межі трохи туманні.
Команда молекули води нагадують іонізовані частинки в плазмоподібному стані. Ці частково розділені молекули коливаються при дуже високих температурах і дуже швидко. Органічні молекули не можуть вижити в такому агресивному та висококорозійному середовищі.
Новосьєлов сказав, «Хімічні речовини, які вічно живуть у звичайній воді, такі як PFOS і PFOA, можуть бути розщеплені в надкритична вода з дуже високою швидкістю. Якщо ми створимо правильні умови, ці непокірні молекули можна знищити, не залишаючи проміжних продуктів і даючи лише нешкідливі речовини, такі як вуглекислий газ, водиі солі фтору, які часто додають у міську воду та зубну пасту».
«Спочатку ми розробили його для руйнування бойових хімічних речовин, які також важко знищити. На виготовлення реактора пішло п’ять років».
«Були важливі запитання, наприклад, як нам підтримувати такий тиск? Усередині реактора тиск у 200 разів вищий, ніж на рівні моря. Інше питання, яке у нас виникло, було: як ми гарантуємо, що реактор займається і працює при заданій температурі в безперервному режимі?»
Як працює реактор?
Реактор містить товсту трубу з нержавіючої сталі приблизно фут довжиною та дюйм діаметром. Вчені можуть змінювати температуру всередині, щоб з’ясувати, наскільки нагрітися їм потрібно, щоб знищити хімікат. Деякі хімікати вимагають 400 C (752 F), а деякі 650 C (1202 F).
Вчені безперервно вводять пілотне паливо, повітря та хімічну речовину, яку ми хочемо видалити, наприклад ПФОС, у надкритичну воду у верхній частині реактора. Паливо забезпечує тепло, необхідне для підтримки суперкритичної суміші, і PFOS швидко поєднується з цим агресивним середовищем.
Загалом час реакції менше хвилини.
Новосьєлов сказав, «У нижній частині реактора суміш охолоджується, щоб отримати як рідину, так і газ. Ми можемо проаналізувати вміст і в рідкій, і в газовій фазах, щоб визначити, чи знищили ми хімічну речовину».
Вчені провели той самий експеримент з PFOS і PFOA. EPA регулює їх обидва. Було виявлено, що PFOA зникає в м’яких надкритичних умовах (близько 400 градусів C або 750 F), але PFOS ні. Знадобилося, поки ми не досягли 610 градусів C (1130 F), щоб побачити руйнування ПФОС.
При цій температурі ПФОС та всі проміжні продукти руйнувалися — за 30 секунд.
Випробування PFOS показали, що кілька проміжних сполук, включаючи PFOA, можуть утворюватися при нижчих температурах. Деякі з цих продуктів розпаду виникли в рідкій фазі, що свідчить про те, що стоки з виробничих потужностей, де використовуються постійні хімікати, можуть містити їх. Але інші проміжні продукти виходять у газову фазу, що є проблематичним, оскільки викиди газу зазвичай не регулюються.
Новосьєлов сказав, «Ці молекули містять фтор, і ми знаємо, що ці типи газів сприяють парниковому ефекту. Наразі у нас немає способу відслідковувати забруднення газами в режимі реального часу, і ми не знаємо, скільки ми будемо виробляти або навіть їхній точний хімічний склад».
«У нас є кілька наступних кроків. Ми використовували реактор, щоб побачити, наскільки добре він знищує інші хімічні речовини, окрім ПФОС та ПФОК. Ми також оцінюємо, наскільки добре ця технологія може працювати в реальних сценаріях».
Довідка з журналу:
- Джоанна Лі, Ігор В.Новосєлов та ін. Деструкція ПФОС в реакторі безперервного надкритичного окислення води. Хіміко-інженерний журнал. DOI: 10.1016/j.cej.2022.139063
