Istraživači sa Sveučilišta Drexel pronašli su način da unište tvrdoglavo otporne otrovne spojeve, zlokobno nazvane "zauvijek kemikalije", koje su kontaminirale pitku vodu milijuna diljem Sjedinjenih Država.
Ove kemikalije, koje se obično nazivaju PFAS - skraćivanje per- i polifluoroalkilnih tvari, korištene su oko 60 godina kao premazi za neljepljive posude i vodootpornu odjeću te u pjenama za gašenje požara. U posljednja dva desetljeća zabrinutost zbog zdravstvenih rizika povezanih s izloženošću PFAS - od raka i problema sa štitnjačom do niske porođajne težine i visokog krvnog tlaka - dovela je do saveznih zabrana, mandata nadzora i velikih napora za sanaciju.
Ali eliminiranje ovih kemikalija - izvorno dizajniranih da odolijevaju visokim temperaturama požara na gorivo - iz pitke vode pokazalo se gotovo nemogućim.
"Kemijske veze ugljik-fluorida u spojevima PFAS su izuzetno stabilne, tako da je nemoguće razgraditi te spojeve standardnim metodama tretmana", rekao je dr. Christopher Sales, izvanredni profesor inženjerstva okoliša na Drexelu koji proučava degradaciju zagađivača okoliša.
Sales je dio tima s Drexel's College of Engineering i C. & J. Nyheim Plasma Institute koji istražuje kako se eksplozija nabijenog plina, nazvana hladna plazma, može koristiti za uklanjanje PFAS-a iz vode. Njegova je skupina nedavno objavila svoje istraživanje u časopisu Environmental Science: Water Research & Technology.
"Ovo je postalo hitan problem jer vidimo da se PFAS pojavljuje posvuda, ne samo u vodi i tlu u blizini zračnih luka koje su ga koristile u pjeni za gašenje požara, već i u mnogim robama široke potrošnje kao što su tkanine otporne na mrlje i ambalažu za hranu dizajniranu da odbija tekućine i masnoću", rekao je Sales."Budući da se te kemikalije ne razgrađuju lako, PFAS se ispire u podzemne i površinske vode iz proizvoda koji su desetljećima stajali na odlagalištima."
Iako precizni putevi izloženosti još nisu identificirani, studije sugeriraju da je PFAS otkriven u krvotoku čak 98 posto stanovništva SAD-a nekom kombinacijom izravne izloženosti, kontaminacije pitke vode i bioakumulacije.
Ministarstvo obrane trenutno troši milijarde dolara na čišćenje zaliha kontaminirane vode u tlu oko stotina vojnih baza u kojima je korištena PFAS pjena za gašenje požara. Ali najbolji napori su samo zastoj, prema Salesu.
"Trenutni standard za postupanje s vodom kontaminiranom PFAS-om su filteri s aktivnim ugljenom", rekao je Sales. "Ali problem s filtracijom je u tome što ona samo skuplja PFAS, ali ga ne uništava. Dakle, osim ako se filteri ne spale na visokim temperaturama, istrošeni filtri postaju novi izvor PFAS-a koji se može vratiti u okoliš kroz otjecanje i procjeđivanje odlagališta."
Za istinsku eliminaciju kemijskog tretmana potrebno je razdvojiti vezu ugljik-fluorid koja je ključna za izdržljivost spoja. Različite vrste PFAS-a, kojih je sada tisuće, sastoje se od ugljik-fluoridnih lanaca različite duljine. Primarni cilj predloženih metoda dekontaminacije je razbiti lanac na manje dijelove kako bi se učinio inertnim. Sekundarni i izazovniji cilj je potpuno uklanjanje atoma fluora iz spojeva - postignuće koje se zove defluoracija.
Jedan od načina uklanjanja PFAS-a iz vode je podizanje njezine temperature što podiže aktivnost njezinih atoma dovoljno da se veza ugljik-fluorid rastegne do točke loma. Nažalost, potrebno je puno više od kuhanja da biste se riješili PFAS-a, navodi Sales.
"Da biste prekinuli iznimno stabilnu vezu između ugljika i fluorida u PFAS-u, trebate podići temperaturu spojeva na najmanje 1000 Celzijusa - dakle 10 puta više od temperature kipuće vode", rekao je Sales."Ali to očito nije izvedivo za operacije pročišćavanja vode, zbog ogromne količine energije koju bi potrošila."
Tim Drexela predlaže korištenje visokonaponskog plina ili plazme kao načina za aktiviranje atoma PFAS bez zagrijavanja vode.
U neravnotežnoj ili "hladnoj" plazmi, elektromagnetno polje se koristi za pobuđivanje elektrona u plinu bez podizanja njegove ukupne temperature. U uobičajenom primjeru hladne plazme, fluorescentne svjetlosti, elektroni su pobuđeni do točke u kojoj emitiraju vidljivu svjetlost dok sam plin ostaje na sobnoj temperaturi.
Istraživači na Institutu za plazmu Nyheim koriste tehnologiju neravnotežne plazme za dekontaminaciju i sterilizaciju proizvoda i mesa te u zdravstvenim ustanovama.
Opuštanje na PFAS-u kemijski je ekvivalent upotrebi blendera za pravljenje smoothieja.
Prvo, uređaj nazvan plazmatron s kliznim lukom stvara rotirajuće elektromagnetno polje koje aktivira elektrone mjehurića plina u vodi. Visokoenergetski elektroni razdvajaju kemijske vrste u vodi i počinju emitirati ultraljubičasto zračenje. U konačnici, vrtlog atoma, iona i zračenja doseže razinu aktivnosti dovoljno visoku da prekine vezu ugljik-fluorid u PFAS spojevima - sve bez podizanja temperature vode.
U samo sat vremena tretmana, koji koristi malo više energije nego što bi bilo potrebno da se kuhalo za čaj prokuha, tretman plazmom klizećim lukom može eliminirati više od 90 posto PFAS-a iz vode i defluorirati oko četvrtina spojeva, prema nedavno objavljenoj studiji grupe.
"Ovo je samo jedan primjer kako se učinkovito i energetski učinkovito tehnologija hladne plazme može koristiti za rješavanje teških problema kemijske kontaminacije", rekao je dr. Alexander Fridman, direktor Nyheim Plasma Institute. „Hladna plazma ima potencijal pomoći nam da eliminiramo razne kemijske toksine koji ugrožavaju naše zalihe hrane i vode za piće."
Dok su metode plazma tretmana za uklanjanje PFAS testirane od strane drugih grupa, do sada se nijedna od njih nije lako proširila za upotrebu u velikim postrojenjima za tretman, prema istraživačima Drexela.
"Sada kada smo dokazali učinkovitost tretmana vode hladnom plazmom, naš sljedeći korak je nastavak testiranja u većoj skali", rekao je Fridman. "Također vjerujemo da bi se tehnologija mogla prilagoditi za tretiranje kontaminiranog tla i za postizanje gotovo potpune defluorizacije PFAS spojeva."
