Et elektrisk fix til fjernelse af langtidsholdbare kemikalier i grundvandet

Uden at vide det, de fleste amerikanere stoler hver dag på en klasse af kemikalier kaldet per- og polyfluoralkylstoffer, eller PFAS'er. Disse menneskeskabte materialer har unikke kvaliteter, der gør dem yderst anvendelige. De afviser både vand og fedt, så de findes i fødevareemballage, vandtæt stof, tæpper og vægmaling.

PFAS'er er også praktiske, når tingene bliver varme. Forbrugerne værdsætter denne egenskab i nonstick-stegepander. Offentlige myndigheder og industri har brugt dem i årtier til at slukke brande i lufthavne og brændstofopbevaringsfaciliteter.

Imidlertid, udbredt brug af PFAS har ført til omfattende forurening af offentlige vandsystemer. I dag, disse stoffer kan findes i blodserumet hos næsten alle indbyggere i USA. Eksponering for PFAS er blevet forbundet med nyre- og testikelkræft, såvel som udviklingsmæssigt, immun, hormonelle og andre sundhedsproblemer.

Men at fjerne dem fra miljøet er ikke let. Kemiske bindinger mellem fluor og kulstof - rygraden i PFAS-molekyler - er ekstremt stærke. PFAS'er kan fjernes fra vandet ved at filtrere dem ud, men de brugte filtre skal bortskaffes bagefter, og deponering overfører kun problemet til et andet sted. Den bedste løsning på problemet er at nedbryde PFAS'er fuldstændigt – og på den måde, vi gør fremskridt.

Elektrokemisk rensning af vand

Undersøgelser har vist, at en metode kaldet elektrokemisk oxidation er en effektiv måde at fjerne PFAS fra spildevand. Det virker ved at sende en jævnstrøm mellem elektroderne, som er ledende metalplader. Når spændingen er høj nok, PFAS-molekyler afgiver en elektron til den positive elektrode. Dette starter en kædereaktion, der gør PFAS'er til kuldioxid og fluorid.

Denne proces er forholdsvis let i et laboratorium, men at udføre det på feltskalaen er en helt anden udfordring. Typisk, målet ville være at fjerne PFAS'er, der er spildt og gennemblødt i jorden, forurenende grundvandsforsyninger.

Vi kan pumpe det forurenede grundvand op til overfladen og gennem en reaktor, men de fleste forurenende stoffer, der indeholder kulstof - inklusive nogle af de mange typer PFAS-molekyler - klæber til jorden og frigives kun langsomt. Det kan tage år eller endda årtier med pumpning at behandle en stor forurenet zone. Tilgange, der behandler forurenende stoffer under jorden i stedet for at pumpe dem til overfladen, er ofte billigere.

I tidligere forskning på et tidligere ammunitionsopbevaringssted i Pueblo, Colorado, vi demonstrerede, at det var muligt at behandle grundvand forurenet med sprængstoffer ved at føre det gennem en elektrolytisk barriere. At gøre dette, vi sænkede mesh-elektroder, der lignede vinduesskærme, ned i en rende. Forurenet grundvand bevægede sig naturligt gennem disse mesh-elektroder, hvor en elektrisk strøm nedbrød de forurenende stoffer, den indeholdt.

Denne proces kræver cirka 5 til 15 volt elektricitet - omtrent den mængde, der leveres af et bilbatteri. I fjerntliggende områder kan denne strøm komme fra solpaneler. Med ordentlig ledelse, elektrolytiske barrierer kan nedbryde forurenende stoffer i flere år.

Opskalering af behandling for PFAS'er

Vores nuværende forskning sigter mod at anvende den elektrolytiske barriereteknologi til behandling af PFAS-forurenet vand. Men PFAS er sværere at nedbryde end de forurenende stoffer på Pueblo-stedet.

Det første skridt er at identificere mere kraftfulde elektroder. Elektroder kan belægges med en række forskellige materialer, inklusive titanium, tin og mange andre metaloxider. Egenskaberne af elektrodeoverfladebelægningerne vil bestemme, hvor hurtigt de nedbryder forurenende stoffer.

Hidtil har vi brugt ekspanderet titanium mesh belagt med en blanding af iridium og tantaloxider. Disse elektroder er meget brugt til at beskytte rustfrit stålrør mod rust, så de er overkommelige, sælges for omkring US$40 per kvadratfod. Omkostninger er en vigtig faktor at overveje, fordi elektroderne kan udgøre en betydelig del af hele installationsomkostningerne.

Iridium- og tantaloxidbelægninger, imidlertid, er meget langsomme til at nedbryde PFAS'er. Vores foreløbige undersøgelser har vist, at tinoxidbelagte mesh-elektroder er meget mere effektive. I øjeblikket, tinoxidelektroder er specialfremstillet forskningsmateriale, og dermed meget dyrere end iridium- og tantaloxider. Men fordi prisen for tin er væsentligt mindre end for de to andre, vi forventer, at priserne falder, når disse elektroder er produceret i større antal.

Ud over, Dr. Shaily Mahendra ved University of California, Los Angeles og hendes samarbejdspartnere har opdaget en træ-rådnende svamp, der har vist lovende at transformere nogle PFAS-arter. Disse svampe har brug for ilt for at trække vejret, men der er normalt meget lidt ilt i grundvandet. Heldigvis, elektroderne, som vi bruger til at nedbryde forurenende stoffer, nedbryder også grundvandet omkring dem, og denne proces genererer ilt.

Vi planlægger således at koble elektrokemisk oxidation med biologisk nedbrydning, bruge den levende svamp til at hjælpe med at nedbryde PFAS. Vores indledende arbejde med et andet persistent organisk forurenende stof kaldet 1, 4-dioxan har vist, at nedbrydningen går hurtigere, når disse to processer arbejder sammen. På samme tid, spændingen, der sendes gennem elektroderne, kan sænkes. Lavere spændinger betyder lavere strømomkostninger, længere elektrodelevetid og mindre dannelse af desinfektionsbiprodukter. Disse er uønskede og potentielt skadelige forbindelser, der kan dannes af stoffer, der er naturligt til stede i vand, såsom chlorid.

Er der alternativer?

Selv med fremkomsten af ​​elektrokemisk vandbehandling, PFAS-nedbrydning er fortsat udfordrende. Fordi PFAS'er er ekstremt stabile og bruges så bredt, de er nu distribueret over hele verden.

Forskere udvikler måder at erstatte PFAS i visse produkter, såsom brandslukningsskum. I mange andre forbrugerprodukter, producenter erstatter simpelthen større PFAS-molekyler med mindre. Imidlertid, dette er ikke en fuldstændig løsning. Mindre PFAS menes at akkumulere mindre i biologisk væv, men de spredes også lettere i miljøet.

Eksponering for kemikalier er en pris, vi betaler for det moderne livs bekvemmeligheder. Ultimativt, omfanget af PFAS-forekomst i miljøet vil i høj grad afhænge af forbrugernes valg og af, hvor hurtigt vi kan erstatte disse kemikalier med sikrere alternativer. For nu, imidlertid, vi har brug for mere effektive måder at fjerne dem fra jorden på, grundvand og andre steder, hvor de truer menneskers sundhed og miljøet.

Denne artikel blev oprindeligt publiceret på The Conversation. Læs den originale artikel.