Главная страница / Новости / Метод уничтожения химических веществКарта сайта | Контакты

Метод уничтожения химических веществ

13 сентября 2022

Новый метод обезглавливает PFAS, заставляя его распадаться на полезные конечные продукты.

Термин «вечные химические вещества» относится к группе промышленных химикатов, которые широко используются с 1940-х годов. Они не могут быть уничтожены огнем, съедены бактериями или разбавлены водой. Кроме того, если эти вредные химические вещества захоронить, они просачиваются в окружающую их землю и сохраняются для будущих поколений.

Молекулы метана или аммония

PFAS представляют собой большую сложную категорию промышленных химикатов, которые содержатся во многих обычных продуктах.

Химики Северо-Западного университета сделали то, что казалось невозможным. Исследовательская группа создала метод, который вызывает разрушение двух ключевых классов соединений PFAS, оставляя после себя только безопасные конечные продукты. Он требует низких температур и дешевых, обычных реагентов.

Простой метод может оказаться эффективным способом в конечном итоге избавиться от этих вредных химических веществ, которые связаны с несколькими вредными воздействиями на здоровье человека, домашнего скота и окружающую среду.

«PFAS стала серьезной социальной проблемой», — сказал Уильям Дихтель из Northwestern, руководивший исследованием. «Даже крошечное количество PFAS вызывает негативные последствия для здоровья, и оно не разрушается. Мы не можем просто переждать эту проблему. Мы хотели использовать химию для решения этой проблемы и создания решения, которое сможет использовать весь мир. Это захватывающе, потому что наше решение простое, но непризнанное».

Дихтель является профессором химии им. Роберта Л. Летсингера в Северо-Западном колледже искусств и наук имени Вайнберга. Бриттани Транг, руководившая проектом в рамках своей недавно завершенной докторской диссертации в лаборатории Дихтеля, является соавтором статьи.

«Та же категория, что и лид»

Сокращение от пер- и полифторалкильных веществ, ПФАС уже 70 лет используется в качестве антипригарных и гидроизоляционных средств. Они обычно встречаются в антипригарной посуде, водостойкой косметике, огнетушащих пенах, водоотталкивающих тканях и продуктах, устойчивых к жирам и маслам.

Но со временем PFAS нашел выход из потребительских товаров в наше водоснабжение и даже в кровь 97% американцев. Воздействие PFAS тесно связано со снижением фертильности, влиянием на развитие детей, повышенным риском многих форм рака, снижением иммунитета к инфекциям и повышенным уровнем холестерина, хотя последствия для здоровья еще полностью не изучены. Агентство по охране окружающей среды США (EPA) сочло многочисленные PFAS небезопасными — даже при низких уровнях — в свете этих пагубных последствий для здоровья.

«Недавно EPA пересмотрело свои рекомендации по PFOA практически до нуля», — сказал Дихтель. «Это ставит несколько PFAS в ту же категорию, что и свинец».

Нерушимые узы

Хотя усилия сообщества по фильтрации ПФАС из воды увенчались успехом, существует несколько решений, как избавиться от ПФАС после его удаления. Те немногие варианты, которые появляются в настоящее время, обычно включают разрушение ПФАВ при высоких температурах и давлениях или другие методы, требующие больших энергозатрат.

«В штате Нью-Йорк было обнаружено, что завод, утверждающий, что сжигает PFAS, выбрасывает некоторые из этих соединений в воздух», — сказал Дихтель. «Соединения были выброшены из дымовых труб в местное население. Другой неудачной стратегией было захоронение соединений на свалках. Когда вы делаете это, вы, по сути, просто гарантируете, что у вас будет проблема через 30 лет, потому что она будет медленно выщелачиваться. Вы не решили проблему. Ты только что выкинул банку на дорогу.

Метод уничтожения химических веществ

Секрет неразрушимости PFAS заключается в его химических связях. PFAS содержит много связей углерод-фтор, которые являются самыми сильными связями в органической химии. Как самый электроотрицательный элемент в периодической таблице, фтор нуждается в электронах — и очень сильно. Углерод, напротив, охотнее отдает свои электроны.

«Когда у вас есть такая разница между двумя атомами — и они примерно такого же размера, как углерод и фтор — это рецепт действительно прочной связи», — объяснил Диктель.

Определение ахиллесовой пяты PFAS

Но при изучении соединений команда Дихтеля обнаружила слабое место. PFAS содержит длинный хвост неподатливых углерод-фтористых связей. Но на одном конце молекулы находится заряженная группа, которая часто содержит заряженные атомы кислорода. Команда Дихтеля нацелилась на эту головную группу, нагревая PFAS в диметилсульфоксиде — необычном растворителе для разрушения PFAS — с гидроксидом натрия, распространенным реагентом. Процесс обезглавил головную группу, оставив после себя реактивный хвост.

«Это вызвало все эти реакции, и он начал выплевывать атомы фтора из этих соединений с образованием фторида, который является самой безопасной формой фтора», — сказал Диктель. «Хотя связи углерод-фтор очень прочные, эта заряженная головная группа — ахиллесова пята».

«Это оказался очень сложный набор вычислений, который бросил вызов самым современным квантово-механическим методам и самым быстрым компьютерам, доступным нам», — сказал Хоук, выдающийся профессор-исследователь в области органической химии. «Квантовая механика — это математический метод, моделирующий всю химию, но только в последнее десятилетие мы смогли взяться за такие большие механические задачи, оценивая все возможности и определяя, какая из них может произойти с наблюдаемой скоростью. Юлий освоил эти вычислительные методы и работал с Бриттани на расстоянии, чтобы решить эту фундаментальную, но практически важную проблему».

Затем команда Dichtel проверит эффективность своей новой стратегии на других типах PFAS. В текущем исследовании они успешно разложили 10 перфторалкилкарбоновых кислот (PFCA) и перфторалкилэфиркарбоновых кислот (PFECA), включая перфтороктановую кислоту (PFOA) и один из ее распространенных заменителей, известный как GenX — два наиболее известных соединения PFAS. Однако Агентство по охране окружающей среды США идентифицировало более 12 000 соединений PFAS.

Хотя это может показаться обескураживающим, Дихтель по-прежнему надеется.

«Наша работа касалась одного из крупнейших классов PFAS, включая многие из них, которые нас больше всего беспокоят», — сказал он. «Есть и другие классы, у которых нет такой же ахиллесовой пяты, но у каждого будет своя слабость. Если мы сможем идентифицировать его, то мы знаем, как активировать его, чтобы уничтожить».

Дихтел является членом Института устойчивого развития и энергетики Северо-Западной программы по пластмассам, экосистемам и общественному здравоохранению; Центр водных исследований и Международный институт нанотехнологий.

Исследование финансировалось Национальным научным фондом.

Источник

Метки: