Исследователи разработали первую экологически чистую технологию для быстрого захвата и уничтожения токсичных «вечных химикатов» в воде.
Что такое «вечные химикаты»?
«Вечные химикаты» (PFAS, сокращение от per- and polyfluoroalkyl substances) — это синтетические химические вещества, впервые произведённые в 1940-х годах и использовавшиеся в самых разных продуктах: от сковород с тефлоновым покрытием до водонепроницаемой одежды и упаковки для пищевых продуктов.
Их способность противостоять высоким температурам, жиру и воде сделала их ценными для промышленности и потребителей. Но именно эта устойчивость затрудняет их разложение, за что они 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. Попытки очистить воду от PFAS были затруднены из-за сложности удаления и уничтожения этих химикатов после попадания в окружающую среду.
Ограничения существующих технологий
Традиционные методы очистки воды 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 пропускную способность и образование дополнительных отходов, требующих утилизации.
«Существующие методы удаления PFAS слишком медленные, неэффективные и создают вторичные отходы», — говорит Майкл С. Вонг, профессор Школы инженерии и компьютерных наук имени Джорджа Р. Брауна при Университете Райса.
«Наш новый подход предлагает устойчивую и высокоэффективную альтернативу».
Прорывной материал
Новая инновация основана на слоистом двойном гидроксиде (LDH), материале, изготовленном из меди и алюминия. Впервые он был открыт Кеон-Хам Кимом, профессором Пукюнгского национального университета в Южной Корее, ещё в 2021 году, когда тот был аспирантом в Корейском институте передовых технологий (KAIST).
Во время экспериментов с этими материалами Ёнгун Чун, постдокторант под руководством Вонга, обнаружил, что одна из формул с нитратами может адсорбировать PFAS с рекордной эффективностью.
«К моему удивлению, этот LDH-соединение захватывает PFAS более чем в 1000 раз лучше, чем другие материалы», — говорит Чун, ведущий автор исследования, который сейчас является сотрудником Института водных технологий, предпринимательства и исследований (WaTER) и Института устойчивого развития Университета Райса.
«Он также работает невероятно быстро, удаляя большое количество PFAS за считанные минуты, 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 дисбалансами зарядов создают идеальную среду для связывания молекул PFAS с высокой скоростью и прочностью.
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 очистке воды и промышленной очистке.
Захват и уничтожение
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, захваченных на материале LDH. Нагревая насыщенный материал с карбонатом кальция, команда уничтожила 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 пройти как минимум шесть полных циклов захвата, уничтожения и обновления, что делает его первой известной экологически чистой 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», — говорит Вонг.
Источники финансирования исследования
Исследование было поддержано Программой фундаментальных научных исследований Национального исследовательского фонда Кореи, финансируемого Министерством образования, грантами Национального центра конвергенции научных вызовов, а также стипендией Sejong Science Fellowship через Национальный исследовательский фонд Кореи и финансированием Министерства науки и информационно-коммуникационных технологий. Эта работа также финансировалась за счёт грантов Saudi Aramco-KAIST CO2 Management, Исследовательского центра нанотехнологий для водной очистки (NEWT), Центра инженерных исследований и разработок Инженерных войск США, Института устойчивого развития Университета Райса и Института водных технологий Университета Райса.
Источник: Университет Райса.
Пост «Новая технология захватывает и уничтожает „вечные химикаты“ в воде» впервые появился на сайте Futurity.