Политетрафторэтилен (ПТФЕ) — это синтетический полимер на основе фтора, который широко используется в производстве антипригарной посуды, а также для покрытия электрических и оптических волоконных кабелей благодаря своей высокой прочности, термостабильности и низкому трению. Однако его долговечность также создаёт экологические проблемы при утилизации.
ПТФЕ в основном утилизируют путём сжигания, захоронения на свалках и дефторирования. Сжигание требует больших затрат энергии и связано с выбросами фтористого водорода, который обладает высокой коррозионной активностью. Захоронение на свалках приводит к накоплению неразложившегося ПТФЕ в окружающей среде.
Дефторирование, при котором ПТФЕ преобразуется в соединения фтора, является более экологичным методом, поскольку позволяет перерабатывать полимер. Однако традиционные методы дефторирования ПТФЕ либо требуют высокотемпературных реакций (>500 °C), либо сложных реагентов для более управляемых низкотемпературных реакций (<100 °C). Кроме того, в любом случае эффективность извлечения фтора не была изучена. Группа международных исследователей под руководством профессора Норио Шибаты из Технологического института Нагоя (NITech) в Японии разработала новый метод дефторирования, который использует дисперсию натрия для разрушения ПТФЕ и извлечения ионов фтора в мягких условиях. В исследовании также приняли участие г-н Тайчи Араки и г-н Хибики Ота из NITech. Работа опубликована в журнале Nature Communications.
В новом методе был достигнут значительный выход ионов фтора (в виде фторида натрия) до 98% из ПТФЕ с использованием дисперсии натрия (два эквивалента) в тетрагидрофуране (ТГФ) при температуре реакции 25 °C и продолжительности реакции 12 часов.
Основное преимущество этого подхода к дефторированию заключается в том, что он может работать при комнатной температуре, избегая необходимости в экстремальных условиях. Для дополнительной проверки извлечения фтора команда исследовала элементы в чёрном остатке, полученном после разрушения ПТФЕ в оптимизированных условиях, с помощью спектрального анализа и установила, что доля фтора, потерянного из ПТФЕ, составила 93,5%.
Дальнейший анализ этого остатка с помощью рентгеновской дифракции, рамановской и инфракрасной спектроскопии, а также ядерного магнитного резонанса подтвердил эффективное извлечение фтора из ПТФЕ. Кроме того, морфологический анализ с использованием сканирующей электронной микроскопии с энергодисперсионной рентгеновской спектроскопией показал, что процесс дефторирования изменил морфологию ПТФЕ: из начальной плотной зернистой текстуры неправильной формы с гладкими поверхностями он превратился в чёрный остаток с сильно неправильной шероховатой поверхностью с трещинами.
Команда также изучила применимость этого метода для других соединений на основе фтора и обнаружила, что он может эффективно извлекать фтор (до 97%) из пер- и полифторалкильных веществ (PFAS), таких как перфторнонановая кислота, перфтороктановая кислота, перфторбутансульфоновая кислота и трифторуксусная кислота, после соответствующей настройки продолжительности реакции и количества дисперсии натрия.
Профессор Шибата отмечает: «Помимо ПТФЕ, другие фторсодержащие соединения являются серьёзными загрязнителями окружающей среды. Наш метод дефторирования может эффективно разрушать PFAS, что указывает на его широкую применимость».
Профессор Шибата заключает: «В отличие от традиционных методов дефторирования PFAS, которые требуют плазменной обработки или сжигания при повышенных температурах, наш метод дефторирования является экологически чистым, не требующим больших затрат энергии, с пониженным выбросом токсичных газов, что не только улучшает использование фторных ресурсов, но и может помочь минимизировать нашу зависимость от флюорита в будущем».
Предоставлено Технологическим институтом Нагоя.