Антропогенные перфторалкильные и полифторалкильные вещества (PFAS) — это распространённые стойкие загрязнители, которые всё чаще подпадают под строгие нормативные пороги в водных ресурсах. Существующие нетепловые методы дефторирования имеют ограничения, включая неполную минерализацию, в результате чего остаются побочные продукты в виде короткоцепочечных PFAS и остаточные ионы фтора, что затрудняет соответствие стандартам качества воды.
В исследовании, опубликованном в Journal of the American Chemical Society, группа под руководством профессора Ван Фэн и доцента Цзя Сюцюань из Даляньского института химической физики Китайской академии наук (CAS) вместе с командой профессора Цзян Гуйбиня из Исследовательского центра экологических наук CAS осуществила полную минерализацию перфтороктановой кислоты (PFOA) и иммобилизацию фтора с использованием микрооблака, обогащённого микрокаплями, содержащими волластонит.
Микрооблако характеризуется быстрым переключением фаз воды между объёмной фазой, микрокаплями и паровой фазой, что обусловлено ультразвуковым распылением. В ходе этого процесса генерируются положительно заряженные более крупные капли и отрицательно заряженные более мелкие капли, что является явлением, известным как эффект Ленарда.
Электростатическое притяжение между противоположно заряженными каплями приводило к их быстрому слиянию, заставляя их быстро мигрировать или возвращаться в объёмную фазу. Эти быстрые циклы распыления и слияния способствовали устойчивому переносу электронов между заряженными каплями, что делало окислительно-восстановительные реакции термодинамически осуществимыми.
Исследователи обнаружили, что микрокапли, содержащие волластонит, отдают приоритет дефторированию над расщеплением C–C в перфторалкильных цепях за счёт электрификации тройного контакта между жидкостью, твёрдым телом и газом, что приводит к полной минерализации PFOA с едва обнаруживаемыми побочными продуктами в виде короткоцепочечных анионных PFAS.
Кроме того, исследователи продемонстрировали, что реакции дефторирования инициируются присоединением электронов в сочетании с переносом протона или H$\cdot$ в процессе гидродефторирования, а также процессом окисления связи C–H с участием $\cdot$OH. Этот подход снижает концентрацию PFOA значительно ниже 4 частей на триллион (ppt), установленного Агентством по охране окружающей среды США в качестве максимального уровня загрязнения, при этом производя побочные продукты в виде короткоцепочечных анионных PFAS с концентрациями, значительно ниже 500 ppt, предложенных в качестве общего лимита по PFAS, требуемого переработанной Директивой по питьевой воде Европейского агентства по окружающей среде.
Более того, исследователи обнаружили, что опосредованное микрокаплями выветривание CaSiO$3$ и образующийся на месте кремнезём приводили к формированию межфазных структур CaF$2$-SiO$2$, в результате чего концентрация остатков F$^–$ колебалась вокруг установленного стандартами качества поверхностных вод регуляторного предела в 1 ppm. Взаимодействие между микрокаплями и минералами позволило эффективно расщеплять связи C–C, производя синтез-газ с выходом углерода более 98% и настраиваемыми соотношениями H$2$/CO от 0,5 до 1.
«Наше исследование показывает, что помимо потенциального применения микрокапель в практической очистке воды в амбиентных условиях, микрокапли из облаков и морского спрея могут обладать значительной, но пока не учтённой самоочищающей способностью в отношении загрязнителей PFAS в глобальном масштабе», — сказал профессор Ван.
Предоставлено Китайской академией наук.