Учёные предложили сразу два метода уничтожения «вечных химикатов»: холодная плазма разрушает 99,99% PFAS за минуты

Немецкие учёные экспериментально подтвердили два независимых способа разрушения пер- и полифторалкильных соединений (PFAS) — группы из более чем 10 000 синтетических веществ, которые не распадаются в природе, накапливаются в организмах и связаны с онкологическими и иммунными заболеваниями. Оба метода нацелены на разрыв исключительно прочной связи углерод–фтор и дают на выходе нетоксичные фторид-ионы. Результаты опубликованы в журналах Chemical Engineering Journal Advances и Scientific Reports.

Первый метод, гидродинамическая кавитация, пропускает загрязнённую воду через узкое сопло. Из-за перепада давления образуются микропузырьки пара, которые схлопываются ниже по потоку. В момент коллапса температура внутри пузырька локально подскакивает до нескольких тысяч градусов, а из воды образуются высокореактивные гидроксильные радикалы. Молекулы PFAS, прилипшие к поверхности пузырьков, подвергаются одновременно термическому и химическому удару.

В опытах с перфтороктансульфонатом (ПФОС) — одним из самых устойчивых и хорошо изученных представителей группы — за цикл обработки разрушалось около 37% растворённого вещества, доля росла с увеличением длительности. Сейчас группа работает над повышением показателя: цель — выйти на деградацию более 80% и минерализовать свыше половины связанного фтора.

Изображение сгенерировано: Nano Banana

Второй метод использует холодную атмосферную плазму, генерируемую прямо над поверхностью воды, и одновременный продув через жидкость воздуха. Пузырьки выполняют двойную роль: гидрофобные «хвосты» молекул концентрируются на границе газ–жидкость, а само перемешивание непрерывно подтягивает новые порции загрязнителя в зону плазменного разряда.

Ключевым агентом разрушения выступают сольватированные электроны (окружённые плотным слоем молекул растворителя), атакующие связи углерод–фтор. При начальной концентрации ПФОС 5 мг/л такой режим за 20 минут дал деградацию на 99,99%, а 35% атомов фтора перешло в раствор в виде фторидов. Период полураспада вещества сократился с 13,4 минуты (чистая плазма) до 1,6 минуты. Энергозатраты на один порядок снижения концентрации составили 39 кВт·ч на кубометр — на порядок меньше, чем у прямого ультрафиолетового облучения или термического сжигания, где аналогичный показатель достигает тысяч и десятков тысяч кВт·ч.

Плазменный способ, однако, быстрее расходует энергию на единицу объёма и порождает целый спектр промежуточных продуктов, включая газообразные фторсодержащие соединения, которые пока изучены не полностью. Именно поэтому исследователи намерены объединить оба принципа в одной установке: высокореактивные частицы из плазмы вместе с кавитационным перемешиванием и локальными тепловыми скачками должны одновременно повысить скорость реакции и полнее замкнуть баланс фтора в жидкой фазе.

Уже ведутся эксперименты по масштабированию до 5 литров реакционного объёма.

Традиционные методы очистки — фильтрация активированным углём или ионообменными смолами — лишь концентрируют PFAS и создают вторичные токсичные отходы. Разрабатываемые же кавитационные и плазменные технологии претендуют на то, чтобы стать первым промышленно масштабируемым способом именно необратимого разрушения «вечных химикатов» без добавления химических реагентов и при умеренном энергопотреблении.

©  iXBT