Hóa chất mãi mãi tồn tại trong nước và đất. Khi chúng không bị phân hủy, chúng sẽ kết thúc trong nước và thực phẩm của chúng ta, dẫn đến những ảnh hưởng sức khỏe như ung thư và giảm khả năng sinh sản.
Tháng trước, Cơ quan Bảo vệ Môi trường Hoa Kỳ đã đề xuất đưa ra hai hóa chất vĩnh viễn phổ biến nhất là PFOA và PFOS, cho phép các nhà khoa học theo dõi chúng và lên kế hoạch cho các biện pháp dọn dẹp.
Bây giờ một nhóm các nhà nghiên cứu tại Đại học Washington có cách mới để tiêu diệt PFOA và PFOS. Họ đã nghĩ ra một loại lò phản ứng mới - sử dụng nước siêu tới hạn, được hình thành ở nhiệt độ và áp suất cao - để phân hủy hoàn toàn các hóa chất khó phân hủy. Công nghệ này có thể xử lý các chất tồn đọng cũ, chẳng hạn như hóa chất vĩnh cửu trong bọt chữa cháy, loại bỏ các chất hóa học vĩnh viễn đậm đặc đã có trong môi trường và xử lý chất thải công nghiệp.
Igor Novosselov, phó giáo sư nghiên cứu về kỹ thuật cơ khí của UW, cho biết, “Lò phản ứng của chúng tôi về cơ bản làm nóng nước rất nhanh, nhưng nó làm nóng nước khác với khi bạn đun nước để làm mì ống. Thông thường, khi bạn tăng nhiệt độ, nước sẽ sôi và chuyển thành hơi nước. Từ đó, nước và hơi nước không nóng hơn 100 độ C (212 F).”
Nén nước có thể thay đổi trạng thái cân bằng đó và đạt được điểm sôi đó ở nhiệt độ nóng hơn nhiều. Tăng áp suất có thể làm tăng nhiệt độ sôi.
Nước cuối cùng sẽ ngừng thay đổi trạng thái từ lỏng sang hơi. Thay vào đó, nó đạt đến một điểm tới hạn khi nước bước vào pha siêu tới hạn, một giai đoạn khác biệt trạng thái của vật chất. Nước không phải là chất lỏng hay chất khí trong trường hợp này. Nó rơi vào đâu đó ở giữa và ranh giới hơi mơ hồ.
Sản phẩm phân tử nước giống như các hạt bị ion hóa ở trạng thái giống như plasma. Những phân tử được tách ra một phần này dao động ở nhiệt độ rất cao và tốc độ rất nhanh. Các phân tử hữu cơ không thể tồn tại trong một môi trường khắc nghiệt và ăn mòn cao như vậy.
Novosselov nói, “Các hóa chất tồn tại vĩnh viễn trong nước thông thường, chẳng hạn như PFOS và PFOA, có thể bị phân hủy trong nước siêu tới hạn với tỷ lệ rất cao. Nếu chúng ta có các điều kiện phù hợp, các phân tử ngoan cố này có thể bị phá hủy, không để lại sản phẩm trung gian và chỉ tạo ra các chất vô hại, chẳng hạn như cạc-bon đi-ô-xít, nước, và muối florua, thường được thêm vào nước đô thị và kem đánh răng.”
“Ban đầu chúng tôi thiết kế nó để phá vỡ các tác nhân chiến tranh hóa học vốn rất khó tiêu diệt. Chúng tôi đã mất XNUMX năm để chế tạo lò phản ứng.”
“Có những câu hỏi quan trọng như, làm thế nào để chúng tôi giữ mọi thứ ở áp lực đó? Bên trong lò phản ứng, áp suất cao gấp 200 lần so với mực nước biển. Một câu hỏi khác mà chúng tôi đặt ra là: Làm cách nào để đảm bảo rằng lò phản ứng đốt cháy và vận hành ở nhiệt độ được chỉ định ở chế độ liên tục?”
Lò phản ứng hoạt động như thế nào?
Lò phản ứng chứa một ống thép không gỉ dài khoảng một foot và đường kính một inch. Các nhà khoa học có thể thay đổi nhiệt độ bên trong để tìm ra nhiệt độ cần thiết để phá hủy một chất hóa học. Một số hóa chất yêu cầu 400 C (752 F) và một số 650 C (1202 F).
Các nhà khoa học liên tục đưa nhiên liệu thí điểm, không khí và hóa chất mà chúng tôi muốn loại bỏ, như PFOS, vào nước siêu tới hạn ở trên cùng của lò phản ứng. Nhiên liệu cung cấp nhiệt lượng cần thiết để giữ cho sự kết hợp ở trạng thái siêu tới hạn và PFOS nhanh chóng kết hợp với môi trường tích cực này.
Nhìn chung, thời gian phản ứng là ít hơn một phút.
Novosselov nói, “Ở đáy lò phản ứng, hỗn hợp được làm lạnh để tạo ra cả chất lỏng và chất khí. Chúng tôi có thể phân tích những gì có trong cả hai pha lỏng và khí để đo xem chúng tôi đã phá hủy hóa chất hay chưa.”
Các nhà khoa học đã thực hiện thí nghiệm tương tự với PFOS và PFOA. EPA quy định cả hai. Người ta thấy rằng PFOA biến mất ở điều kiện siêu tới hạn nhẹ (khoảng 400 độ C hoặc 750 độ F), nhưng PFOS thì không. Phải đến khi nhiệt độ đạt tới 610 độ C (1130 F) thì PFOS mới bị phá hủy.
Ở nhiệt độ đó, PFOS và tất cả các chất trung gian đã bị phá hủy — chỉ trong 30 giây.
Các thử nghiệm PFOS cho thấy rằng một số hợp chất trung gian, bao gồm cả PFOA, có thể phát triển ở nhiệt độ thấp hơn. Một số sản phẩm phân hủy này xuất hiện trong pha lỏng, cho thấy nước thải từ các cơ sở sản xuất sử dụng hóa chất lâu bền có thể chứa chúng. Nhưng các chất trung gian khác đang xuất hiện trong pha khí, đây là một vấn đề vì việc thải khí thường không được kiểm soát.
Novosselov nói, “Những phân tử này có chứa flo và chúng tôi biết những loại khí này góp phần gây ra hiệu ứng nhà kính. Ngay bây giờ, chúng tôi không có cách nào để theo dõi ô nhiễm khí trong thời gian thực và chúng tôi không biết mình sẽ sản xuất bao nhiêu hoặc thậm chí thành phần hóa học chính xác của chúng.”
“Chúng tôi có một vài bước tiếp theo. Chúng tôi đã sử dụng lò phản ứng để xem nó phá hủy các hóa chất vĩnh viễn khác bên cạnh PFOS và PFOA tốt như thế nào. Chúng tôi cũng đánh giá xem công nghệ này có thể hoạt động tốt như thế nào đối với các tình huống trong thế giới thực.”
Tạp chí tham khảo:
- Joanna Li, Igor V.Novosselov, et al. Phá hủy PFOS trong lò phản ứng oxy hóa nước siêu tới hạn liên tục. Tạp chí kỹ thuật hóa học. DOI: 10.1016/j.cej.2022.139063
