Перфторалкильные и полифторалкильные соединения, или ПФАС, заслужили прозвище «вечных химикатов» за их исключительную стойкость во внешней среде.
Эти синтетические соединения, широко используемые в производстве потребительских товаров и в промышленности благодаря их водостойкости и химической инертности. Но вместе с отходами производства и бытовым мусором они попадают в окружающую среду и наносят ущерб экологии и здоровью людей и животных.
Многие синтетические вещества после утилизации разлагаются относительно быстро. ПФАС могут сохраняться в неизменном виде до 1000 лет. Стойкость ПФАС позволяет использовать их в противопожарных пенопластах, посуде с антипригарным покрытием, непромокаемой одежде и даже в упаковке для пищевых продуктов.
Однако устойчивость позволяет вечным химикатам накапливаться в почве, воде и даже в живых организмах. Включая человека.
Исследования показали потенциальную связь между воздействием ПФАС и различными проблемами со здоровьем, включая рак, иммунодефицит и гормональные нарушения. Эти опасения побудили ученых искать эффективные способы расщепления вечных химикатов.
Команда ученых разработала алгоритм нейтрализации ПФАС, который использует свет для разрушения связей между атомами углерода и фтора. Эти прочные химические связи помогают PFAS противостоять разложению. Результаты работ опубликованы в журнале Nature.
Почему соединения PFAS так трудно расщепляются
Соединения PFAS состоят из углерод-фтористых связей, которые являются одними из самых прочных в органической химии. Эти связи делают PFAS невероятно стабильными. Вечные химикаты устойчивы ко всем деструктивным процессам, включая гидролиз, окисление и ферментацию микроорганизмами.
Традиционные методы очистки воды позволяют удалить ПФАС из воды, но эти процессы лишь концентрируют загрязняющие вещества, а не разрушают их. Образующиеся в результате отходы, содержащие ПФАС, отправляются на свалки. После утилизации они попадают обратно в окружающую среду.
Современные методы разрушения углерод-фтористых связей предполагают использование дорогих металлов-катализаторов и очень высоких температур. Например, для этой цели можно использовать металлическую платину. Эта зависимость делает эти методы дорогими, энергоемкими и сложными для применения в промышленных масштабах.
Новая фотокаталитическая система
В новом методе, разработанном командой ученых, используется органический фотокатализатор. Это вещество, которое ускоряет химическую реакцию с помощью света, не расходуясь в процессе. Система использует энергию дешевых синих светодиодов для запуска химических реакций.
После поглощения света фотокатализатор направляет отрицательно заряженные электроны молекулам, содержащим фтор, разрушая его прочные связи с углеродом.
Благодаря прямому воздействию на молекулярную структуру PFAS их молекулы расщепляются на углеводороды и элементарный фтор, который легко собрать. Углеводороды безопасно поглощаются растениями и микроорганизмами.
Одним из преимуществ новой фотокаталитической системы является ее простота. По сути, установка представляет собой емкость, освещаемую парой светодиодов, с двумя вентиляторами, охлаждения. Она работает в мягких условиях и не использует никаких металлов — ни дорогих металлов платиновой группы, ни опасных щелочных.
Свет — легкодоступный источник химической энергии и делает метод экономически жизнеспособным и стабильнымм. Авторы надеются, что по мере совершенствования системы она сможет работать с минимальными затратами энергии, помимо энергии, питающей свет.
Установка может преобразовывать другие органические молекулы, содержащие углерод-фтористые связи, в ценные химические вещества. Фторорганику можно превратить в сырье для изготовления множества других материалов, включая лекарства и товары повседневного спроса.
Несмотря на потенциал метода, проблемы остаются. В настоящее время возможна нейтрализация PFAS только в лабораторных масштабах. Кроме того, крупные молекулы с сотнями углерод-фтористых связей, такие как тефлон, не поддаются разложению даже при высоких температурах.
Также необходимо достижение долгосрочной стабильности фотокатализаторов. Со временем они разрушаются, особенно при постоянном диодном освещении. Разработка методов регенерации (повторного использования) катализаторов без потери производительности также будет иметь ключевое значение для расширения масштабов применения технологии.
Совместно с коллегами из Центра устойчивого фоторедокс-катализа авторы планируют продолжить работу над катализом, управляемым светом, с целью обнаружения новых реакций, которые позволят решать практические задачи.
Конечная цель состоит в том, чтобы создать систему, способную удалять PFAS из питьевой воды на очистных сооружениях, При этом вечные химикаты не будут отправляться на свалку и вновь попадать в воду и почву. Система разомкнет цепкие объятия атомов углерода и фтора и решит проблему, над которой ученые бьются много лет.
Ранее ученые разработали эффективный фильтр для нейтрализации ПФАС на основе металлорганических каркасных соединений.