Перфторалкильные и полифторалкильные вещества, или ПФАС, заслужили прозвище «вечные химические вещества» из-за их исключительной способности сохраняться в окружающей среде в течение длительного времени после их использования.
Эти синтетические соединения, широко используемые в потребительских товарах и промышленности из-за их водо- и жиростойкости, в настоящее время встречаются практически повсюду в окружающей среде.
СМОТРЕТЬ: Что мы знаем о токсичных «вечных химикатах» и как уменьшить наше воздействие
Хотя многие химические вещества после утилизации разлагаются относительно быстро, ПФАС может сохраняться до 1000 лет. Такая долговечность отлично подходит для их использования в противопожарных пенах, антипригарной посуде, водонепроницаемой одежде и даже упаковке пищевых продуктов.
Это несколько примеров продуктов, которые могут содержать ПФАС. Графика предоставлена городом Риверсайд, Калифорния.
Однако их устойчивость означает, что они сохраняются в почве, воде и даже в живых организмах. Они могут накапливаться с течением времени и влиять на здоровье как экосистем, так и людей.
СМОТРЕТЬ: Почему токсичная пена PFAS, созданная десятилетиями, все еще загрязняет водные пути северного Мичигана
Некоторые первоначальные исследования показали потенциальную связь между воздействием ПФАС и различными проблемами со здоровьем, включая рак, подавление иммунной системы и гормональные нарушения. Эти опасения побудили ученых искать эффективные способы расщепления этих стойких химических веществ.
Мы — команда исследователей, которые разработали химическую систему, которая использует свет для разрушения связей между атомами углерода и фтора. Эти прочные химические связи помогают ПФАС противостоять деградации. Мы опубликовали эту работу в журнале Nature в ноябре 2024 года и надеемся, что этот метод поможет справиться с широко распространенным загрязнением, вызываемым этими веществами.
Почему соединения ПФАС так трудно расщепить
Соединения ПФАС имеют связи углерод-фтор, одни из самых прочных в химии. Эти облигации делают PFAS невероятно стабильным. Они противостоят процессам разложения, которые обычно разрушают промышленные химикаты, включая гидролиз, окисление и микробное разрушение.
Связи углерод-фтор в ПФАС, таких как перфторундекановая кислота, делают молекулы очень стабильными. Графика Берта Килановски/Wikimedia Commons
Обычные методы очистки воды могут удалить ПФАС из воды, но эти процессы просто концентрируют загрязняющие вещества, а не уничтожают их. Полученные материалы, содержащие ПФАС, обычно отправляются на свалки. После утилизации они все равно могут попасть обратно в окружающую среду.
СМОТРЕТЬ: По оценкам исследования, почти половина систем водоснабжения в США загрязнена «вечными химикатами»
Современные методы разрыва связей углерод-фтор зависят от использования металлов и очень высоких температур. Например, для этой цели можно использовать металлическую платину. Эта зависимость делает эти методы дорогими, энергоемкими и сложными для использования в больших масштабах.
Как работает наша новая фотокаталитическая система
В новом методе, разработанном нашей командой, используется чисто органический фотокатализатор. Фотокатализатор — это вещество, которое ускоряет химическую реакцию с помощью света, не расходуясь при этом. Наша система использует энергию дешевых синих светодиодов для запуска ряда химических реакций.
Поглощая свет, фотокатализатор передает электроны молекулам, содержащим фтор, что разрушает прочные связи углерод-фтор.
ЧИТАТЬ ДАЛЕЕ: 4 вещи, которые нужно знать о регулировании «вечных химикатов» в питьевой воде
Непосредственно воздействуя на молекулярную структуру ПФАС и разрушая ее, фотокаталитические системы, подобные нашей, сохраняют потенциал полной минерализации. Полная минерализация — это процесс, который превращает эти вредные химические вещества в безвредные конечные продукты, такие как углеводороды и ионы фтора, которые легко разлагаются в окружающей среде. Продукты разложения затем могут безопасно реабсорбироваться растениями.
Фотокатализ – это ускорение реакции с использованием легких частиц, называемых фотонами. Фото предоставлено Miyake Group
Возможные применения и преимущества
Одним из наиболее многообещающих аспектов этой новой фотокаталитической системы является ее простота. По сути, установка представляет собой небольшой флакон, освещенный двумя светодиодами, к которому добавлены два небольших вентилятора, обеспечивающие охлаждение во время процесса. Он работает в мягких условиях и не использует никаких металлов, обращение с которыми часто опасно, а иногда может быть взрывоопасным.
ЧИТАТЬ ДАЛЕЕ: Исследование связывает воздействие «вечных химикатов» на рак яичек среди военнослужащих
Зависимость системы от света – легкодоступного и возобновляемого источника энергии – может сделать ее экономически жизнеспособной и устойчивой. Совершенствуя его, мы надеемся, что однажды он сможет работать с минимальными затратами энергии, за исключением энергии, питающей свет.
Эта платформа также может превращать другие органические молекулы, содержащие связи углерод-фтор, в ценные химические вещества. Например, тысячи фтораренов широко доступны в виде промышленных химикатов и лабораторных реагентов. Их можно превратить в строительные блоки для изготовления множества других материалов, включая лекарства и товары повседневного спроса.
Проблемы и будущие направления
Хотя эта новая система демонстрирует потенциал, проблемы остаются. В настоящее время мы можем ухудшить ПФАС лишь в небольших масштабах. Хотя наша экспериментальная установка эффективна, она потребует существенного расширения для решения проблемы PFAS на более широком уровне. Кроме того, крупные молекулы с сотнями связей углерод-фтор, такие как тефлон, не растворяются в растворителе, который мы используем для этих реакций, даже при высоких температурах.
В результате система в настоящее время не может разрушить эти материалы, и нам необходимо провести дополнительные исследования.
ЧИТАТЬ ДАЛЕЕ: Почему так сложно исключить ПФАС из наших продуктов и почему это важно
Мы также хотим улучшить долговременную стабильность этих катализаторов. Сейчас эти органические фотокатализаторы со временем разлагаются, особенно когда они находятся под постоянным светодиодным освещением. Таким образом, разработка катализаторов, сохраняющих свою эффективность в течение длительного времени, будет иметь важное значение для практического и крупномасштабного использования. Разработка методов регенерации или переработки этих катализаторов без потери производительности также будет иметь ключевое значение для расширения масштабов этой технологии.
Вместе с нашими коллегами из Центра устойчивого фотоокислительно-восстановительного катализа мы планируем продолжать работу над световым катализом, стремясь открыть больше световых реакций, решающих практические проблемы. SuPRCat — это некоммерческий центр химических инноваций, финансируемый Национальным научным фондом. Там команды работают над разработкой реакций для более устойчивого химического производства.
Конечная цель — создать систему, которая сможет удалять загрязняющие вещества PFAS из питьевой воды на очистных сооружениях, но до этого еще далеко. Мы также хотели бы однажды использовать эту технологию для очистки почв, загрязненных ПФАС, что сделает их безопасными для сельского хозяйства и восстановит их роль в окружающей среде.
Эта статья переиздана из The Conversation под лицензией Creative Commons. Прочтите оригинал статьи.
