Исследователи из Университета Райса в сотрудничестве с международными партнёрами разработали первую экологичную технологию для быстрого улавливания и уничтожения токсичных «вечных химикатов» (PFAS) в воде. Результаты исследования, недавно опубликованные в журнале [Advanced Materials](https://doi.org/10.1002/adma.202509842), знаменуют собой важный шаг в решении одной из наиболее серьёзных экологических проблем в мире.
Исследование проводилось под руководством Янгкуна Чуна, постдокторанта под руководством профессора Майкла С. Вонга из Инженерно-вычислительной школы имени Джорджа Р. Брауна Университета Райса, и в сотрудничестве с Соктэ Кангом, профессором Корейского института передовых технологий (KAIST), и Кеон-Хам Кимом, профессором Национального университета Пукюнг в Южной Корее.
Что такое PFAS?
PFAS, или пер- и полифторалкильные вещества, — это синтетические химикаты, впервые произведённые в 1940-х годах и использовавшиеся в самых разных продуктах: от сковородок с тефлоновым покрытием до водонепроницаемой одежды и упаковки для пищевых продуктов. Их способность противостоять нагреву, жиру и воде сделала их ценными для промышленности и потребителей. Но эта же устойчивость означает, что они плохо разлагаются, за что и получили прозвище «вечные химикаты».
Сегодня PFAS обнаружены в воде, почве и воздухе по всему миру. Исследования связывают их с повреждением печени, нарушениями репродуктивной функции, сбоями в работе иммунной системы и некоторыми видами рака.
Традиционные методы очистки от PFAS
Традиционные методы очистки от PFAS обычно основаны на адсорбции, когда молекулы прилипают к таким материалам, как активированный уголь или ионообменные смолы. Хотя эти методы широко используются, они имеют серьёзные недостатки: низкую эффективность, медленную работу, ограниченную ёмкость и образование дополнительных отходов, требующих утилизации.
«Современные методы удаления PFAS слишком медленные, неэффективные и создают вторичные отходы», — сказал Вонг, профессор молекулярной нанотехнологии и профессор кафедры химической и биомолекулярной инженерии, химии и гражданского и экологического инжиниринга. «Наш новый подход предлагает устойчивую и высокоэффективную альтернативу».
Инновация от команды под руководством Университета Райса
Инновация команды под руководством Университета Райса основана на слоистом двойном гидроксиде (LDH), материале, изготовленном из меди и алюминия, впервые обнаруженном Кимом во время учёбы в KAIST в 2021 году. Экспериментируя с этими материалами, Чун обнаружил, что одна из их формулировок с нитратами может адсорбировать PFAS с рекордной эффективностью.
«К моему удивлению, этот LDH-соединение улавливал PFAS более чем в 1000 раз лучше, чем другие материалы», — сказал Чун, ведущий автор исследования, ныне сотрудник Института водных технологий, предпринимательства и исследований (WaTER) и Института устойчивого развития Университета Райса. «Он также работал невероятно быстро, удаляя большое количество PFAS в течение нескольких минут, примерно в 100 раз быстрее, чем коммерческие угольные фильтры».
Эффективность материала обусловлена его уникальной внутренней структурой. Организованные слои меди и алюминия в сочетании с небольшими зарядовыми дисбалансами создают идеальную среду для молекул PFAS, которые связываются быстро и прочно.
Практическая проверка технологии
Чтобы проверить практичность технологии, команда оценила материал LDH в речной воде, водопроводной воде и сточных водах. Во всех случаях он показал высокую эффективность, хорошо зарекомендовав себя как в статических, так и в проточных системах. Результаты указывают на большой потенциал для крупномасштабного применения в муниципальной водоподготовке и промышленной очистке.
Удаление PFAS из воды — это только часть задачи. Не менее важно их безопасное уничтожение. Работая с профессорами Райса Педро Альваресом и Джеймсом Туром, Чун разработал метод термического разложения PFAS, уловленных на материале LDH. Нагревая насыщенный материал с карбонатом кальция, команда устранила более половины захваченных PFAS, не выделяя при этом токсичных побочных продуктов. Примечательно, что процесс также регенерировал LDH, позволяя использовать его многократно.
Предварительные исследования показали, что материал может выполнить как минимум шесть полных циклов захвата, уничтожения и обновления, что делает его первой известной экологичной и устойчивой системой для удаления PFAS.
«Мы воодушевлены потенциалом этой уникальной технологии на основе LDH для преобразования подходов к очистке источников воды, загрязнённых PFAS, в ближайшем будущем», — сказал Вонг. «Это результат необычайного международного сотрудничества и творчества молодых исследователей».