Метод уничтожения химических веществ

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.

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.

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».

• В предыдущих попытках уничтожить ПФАС другие исследователи использовали высокие температуры — до 400 градусов Цельсия. Дихтел воодушевлен тем, что новая методика основана на более мягких условиях и простом и недорогом реагенте, что делает решение потенциально более практичным для широкого применения.
• Обнаружив условия разложения PFAS, Дихтел и Транг также обнаружили, что фторированные загрязнители распадаются в результате процессов, отличных от общепринятых. Используя мощные вычислительные методы, сотрудники Кен Хоук из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе и Юли Ли, студент Тяньцзиньского университета, который виртуально посетил группу Хоука, смоделировали деградацию PFAS. Их расчеты показывают, что PFAS распадается в результате более сложных процессов, чем ожидалось.
• Хотя ранее предполагалось, что ПФАС должен распадаться по одному углероду за раз, моделирование показало, что ПФАС на самом деле распадается на два или три атома углерода за раз — открытие, которое совпало с экспериментами Дихтеля и Транга. Понимая эти пути, исследователи могут подтвердить, что остаются только безопасные продукты. Эти новые знания также могут помочь в дальнейшем совершенствовании метода.

«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: углерод