Перфторалкильные вещества (PFAS) — это обширный класс синтетических химикатов, которые ценятся за свою способность выдерживать воздействие тепла, воды и масла. Они используются в производстве бытовых и промышленных товаров. Молекулы PFAS состоят из цепочки атомов углерода и фтора.
Для разрыва связи углерод-фтор (C–F) требуется огромное количество энергии, что делает эти соединения прочными и высокоустойчивыми к биологическому разложению.
Однако PFAS часто называют «вечными химикатами», поскольку они плохо поддаются разложению. Это приводит к постоянному загрязнению и биоаккумуляции, вызывая глобальную обеспокоенность по поводу долгосрочного воздействия на экосистемы и людей.
Дефторирование PFAS — это процесс удаления атомов фтора из молекулы, что делает её менее стабильной и более подверженной дальнейшему распаду. Традиционные методы деградации PFAS сложны, поскольку требуют использования агрессивных химикатов или высокой энергии. Необходимы разработка новых, устойчивых и энергоэффективных методов, которые позволят перерабатывать PFAS и снижать связанные с ними экологические риски.
Новое исследование под руководством профессора Ёити Кобаяши из Университета Рицумейкан, Япония, и г-на Сюхэя Канао из того же университета изучило возможность использования наночастиц оксида цинка (ZnO) в процессе дефторирования PFAS.
Наночастицы (NCs), известные своими фотокаталитическими свойствами, могут использовать свет для генерации активных частиц, которые разрушают органические загрязнители. Для повышения эффективности использовались NCs, покрытые различными лигандами.
Исследование опубликовано онлайн в Chemical Science.
«Мы хотели посмотреть, могут ли покрытые лигандами ZnO NCs дефторировать перфтор octanesulfonic acid (PFOS), — сказал профессор Кобаяши. — PFOS — это соединение PFAS, которое когда-то широко использовалось, но сейчас строго регулируется».
Основное внимание в исследовании было уделено эффективности дефторирования ZnO NCs, покрытых уксусной кислотой (AA–ZnO NCs) или 3-меркаптопропионовой кислотой (MPA–ZnO NCs). Для сравнительного анализа использовались и другие органические лиганды.
Эксперимент по дефторированию проводился с использованием светодиодного освещения с длиной волны 365 нм, поскольку оно имитирует условия окружающего освещения. Эффективность дефторирования этих покрытых лигандами NCs была также протестирована на некоторых других PFAS, таких как трифторуксусная кислота и Нафион.
AA–ZnO NCs могли эффективно дефторировать PFOS при облучении ближним ультрафиолетовым светом в условиях окружающей среды. Присутствие ацетатного лиганда оказалось гораздо более эффективным, чем 3-меркаптопропионовая кислота, поскольку MPA–ZnO NCs достигли только 8,4% дефторирования через 24 часа, в то время как AA–ZnO NCs продемонстрировали до 92% скорости дефторирования через 24 часа при оптимизированных условиях.
Для обеспечения устойчивости этих NCs также были протестированы их долговечность и снижение каталитической эффективности с течением времени. Результаты показали, что реакция разложения протекала в течение нескольких циклов, причём одна наночастица ZnO могла разрушить до 8 250 связей C–F, что указывает на её возможность повторного использования.
Наночастицы ZnO могут эффективно использоваться в процессе дефторирования благодаря своим уникальным свойствам. Они имеют низкую токсичность, недороги и могут производиться в больших масштабах, в отличие от многих предыдущих катализаторов.
«Реакция происходит при комнатной температуре и не требует источников света с высокой энергией, которые могут быть дорогостоящими, хрупкими или опасными», — сказал г-н Сюхэй Канао.
Эта мягкая система фотодеградации способна решить глобально важную проблему переработки PFAS. Она может быть использована для борьбы с промышленным загрязнением PFAS и может применяться на предприятиях по производству фторхимических материалов, полупроводников, в перерабатывающей промышленности, на очистных сооружениях и т. д.
«Загрязнение PFAS вызывает обеспокоенность во всём мире, и эта простая технология на основе NC может внести значительный вклад в решение этой проблемы», — заключает профессор Кобаяши.
Предоставлено Университетом Рицумейкан.