Пер- и полифторалкильные соединения (ПФАС, англ. per- and polyfluoroalkyl substances, PFAS) давно стали головной болью экологов. Их называют «вечными химикатами» из-за исключительно прочных связей углерода и фтора: природа с такими молекулами справляется крайне неохотно. PFAS используют в водоотталкивающих тканях, антипригарных покрытиях, упаковке, смазках и противопожарных пенах. В эту обширную группу входят более 10 000 соединений.
Исследователи Центра имени Гельмгольца в Дрездене-Россендорфе (HZDR) испытали два способа разрушения ПФАС в воде. Первый — гидродинамическая кавитация. Загрязненную воду пропускают через устье, где образуются крошечные паровые пузырьки. PFAS, особенно длинноцепочечные, концентрируются на их поверхности. Затем пузырьки схлопываются под давлением, создавая локальные температурные всплески в несколько тысяч градусов Цельсия. Одновременно возникают высокореактивные гидроксильные радикалы.
В эксперименте с одним из наиболее стойких представителей группы — перфтороктансульфоновой кислотой (PFOS, химическая формула C8HF17O3S) — удалось разрушить около 37% растворенных молекул. При этом органически связанный фтор переходил в растворимую форму фторида. Чем дольше продолжалась обработка, тем больше фтора высвобождалось. Следующая цель ученых — поднять степень разрушения PFAS выше 80%, а минерализацию связанного фтора — выше 50%.
Плазма бьет мощнее, но счет за электричество может удивить
Второй подход оказался значительно эффективнее. Ученые использовали холодную атмосферную плазму одновременно с диспергированием газа. В загрязненную воду вводят газ, образующиеся пузырьки поднимаются к поверхности, а PFAS концентрируются на границе между водой и газом. Именно там на них воздействуют активные частицы плазмы.
В лабораторных испытаниях метод позволил почти полностью разрушить как длинноцепочечные, так и короткоцепочечные ПФАС. Около 35% связанного с ними фтора перешло в соли фторида. Важное преимущество технологии — она работает при обычных условиях, без катализаторов и дополнительных химических реагентов.
Но у «сильного удара» есть цена: плазменная установка расходует гораздо больше энергии на единицу объема воды и образует множество промежуточных продуктов. Часть из них, включая возможные газообразные соединения, еще предстоит изучить, чтобы убедиться в безопасности технологии.
Сейчас исследователи увеличивают объем реакционной зоны с 50 миллилитров до 5 литров. В перспективе они хотят объединить плазму и кавитацию в одной системе: пузырьки должны доставлять загрязнители к зоне воздействия, а активные частицы плазмы — ускорять разрушение устойчивых молекул.
Исследование опубликовано в журнале Nature.
Я считаю, что, объединив высокореактивные частицы плазмы с эффектами кавитации, мы сможем добиться высоких показателей разрушения.
Проблема «вечных химикатов» выходит далеко за пределы лабораторий. По данным Европейского агентства по окружающей среде, PFOS — лишь один из примерно 10 000 соединений этой группы. В европейском мониторинге 2022 года экологический норматив по PFOS превышался на 59% обследованных речных участков, 35% озерных и 73% прибрежных водных объектов. Исследования обнаружили PFAS даже в икре рыб и доказали, что эти соединения могут приводить к преждевременным родам и детской смертности, а также ускорять процесс старения.
Ранее мы рассказывали о борьбе с «вечными химикатами» с помощью ультрафиолета, селективных металлоорганических каркасов (MOF) и даже… кишечных бактерий.