Bornitrid ødelægger for evigt kemikalier PFOA, GenX

Rice University kemiingeniører fandt en effektiv katalysator til at ødelægge PFAS "for evigt" kemikalier, hvor de mindst forventede.

"Det var kontrollen, " sagde risprofessor Michael Wong, med henvisning til den del af et videnskabeligt eksperiment, hvor forskerne ikke forventer overraskelser. Kontrolgruppen er målestokken for eksperimentel videnskab, den baseline, som variabler måles efter.

"Vi har endnu ikke testet dette i fuld skala, men i vores benchtop-tests i laboratoriet, vi kunne slippe af med 99 % af PFOA på fire timer, "Wong sagde om bornitrid, den lysaktiverede katalysator, han og hans elever faldt over og brugte mere end et år på at teste.

Deres studie, som er tilgængelig online i American Chemical Society journal Miljøvidenskab og teknologibreve , fundet bornitrid ødelagt PFOA (perfluoroktansyre) ved et hurtigere klip end nogen tidligere rapporteret fotokatalysator. PFOA er en af ​​de mest udbredte PFAS (perfluoralkyl- og polyfluoralkylstoffer), en familie på mere end 4, 000 forbindelser udviklet i det 20. århundrede til at lave belægninger til vandtæt tøj, fødevareemballage, nonstick pander og utallige andre anvendelser. PFAS er blevet døbt "for evigt kemikalier" for deres tendens til at blive hængende i miljøet, og videnskabsmænd har fundet dem i blodet på stort set alle amerikanere, inklusive nyfødte.

Katalysatorer er Wongs speciale. De er forbindelser, der fremkalder kemiske reaktioner uden at tage del i eller blive forbrugt i disse reaktioner. Hans laboratorium har skabt katalysatorer til at ødelægge en række forurenende stoffer, herunder TCE og nitrater, og han sagde, at han gav sit team til opgave at finde nye katalysatorer til at løse PFAS for omkring 18 måneder siden.

"Vi prøvede mange ting, " sagde Wong, formand for afdelingen for kemisk og biomolekylær teknik i Rice's Brown School of Engineering. "Vi prøvede adskillige materialer, som jeg troede ville virke. Ingen af ​​dem gjorde. Det her skulle ikke virke, og det gjorde det."

Katalysatoren, bornitrid pulver, eller BN, er et kommercielt tilgængeligt syntetisk mineral, der er meget brugt i makeup, hudplejeprodukter, termiske pastaer, der køler computerchips og andre forbruger- og industriprodukter.

Opdagelsen begyndte med snesevis af mislykkede eksperimenter på mere sandsynlige PFAS-katalysatorer. Wong sagde, at han spurgte to medlemmer af sit laboratorium, gæstende kandidatstuderende Lijie Duan fra Kinas Tsinghua University og Rice-studerende Bo Wang, at lave sidste eksperimenter på ét sæt kandidatforbindelser, før man går videre til andre.

"Der var litteratur, der foreslog, at en af ​​dem kunne være en fotokatalysator, hvilket betyder at det ville blive aktiveret af lys med en bestemt bølgelængde, " sagde Wong. "Vi bruger ikke lys særlig ofte i vores gruppe, men jeg sagde, "Lad os gå videre og krible rundt med det." Solen er fri energi. Lad os se, hvad vi kan gøre med lys."

Som før, ingen af ​​forsøgsgrupperne klarede sig godt, men Duan bemærkede noget usædvanligt med bornitrid-kontrollen. Hun og Wang gentog eksperimenterne adskillige gange for at udelukke uventede fejl, problemer med prøveforberedelse og andre forklaringer på det mærkelige resultat. De blev ved med at se det samme.

"Her er observationen, " sagde Wong. "Du tager en kolbe med vand, der indeholder noget PFOA, du smider dit BN-pulver i, og du forsegler det. Det er det. Du behøver ikke at tilføje brint eller rense det med ilt. Det er kun luften vi indånder, det forurenede vand og BN-pulveret. Du udsætter det for ultraviolet lys, specifikt til UV-C lys med en bølgelængde på 254 nanometer, kom tilbage om fire timer, og 99 % af PFOA er blevet omdannet til fluorid, kuldioxid og brint."

Problemet var lyset. 254 nanometers bølgelængde, som er almindeligt anvendt i bakteriedræbende lamper, er for lille til at aktivere båndgabet i bornitrid. Selvom det utvivlsomt var sandt, forsøgene antydede, at det ikke kunne være det.

"Hvis du fjerner lyset, du får ikke katalyse, " sagde Wong. "Hvis du udelader BN-pulveret og kun bruger lyset, du får ingen reaktion."

Så bornitrid absorberede tydeligt lyset og katalyserede en reaktion, der ødelagde PFOA, på trods af, at det burde have været optisk umuligt for bornitrid at absorbere 254 nanometer UV-C lys.

"Det skal ikke virke, " sagde Wong. "Det er derfor, ingen nogensinde har tænkt på at lede efter dette, og det er derfor, det tog så lang tid for os at offentliggøre resultaterne. Vi havde brug for en form for forklaring på denne modsætning."

Wong sagde han, Duan, Wang og medforfattere tilbød en plausibel forklaring i undersøgelsen.

"Vi konkluderede, at vores materiale absorberer lyset på 254 nanometer, og det er på grund af atomare defekter i vores pulver, " sagde han. "Defekterne ændrer båndgabet. De krymper det nok til, at pulveret absorberer lige nok lys til at skabe de reaktive oxiderende arter, der tygger PFOA op."

Wong sagde, at flere eksperimentelle beviser vil være nødvendige for at bekræfte forklaringen. Men i lyset af resultaterne med PFOA, han spekulerede på, om bornitrid-katalysatoren også kunne virke på andre PFAS-forbindelser.

"Så jeg bad mine elever om at gøre en ting mere, " sagde Wong. "Jeg fik dem til at erstatte PFOA i testene med GenX."

GenX er også et evigt kemikalie. Da PFOA blev forbudt, GenX var et af de mest udbredte kemikalier til at erstatte det. Og en voksende mængde af beviser tyder på, at GenX kan være et lige så stort miljøproblem som sin forgænger.

"Det er en lignende historie som PFOA, " sagde Wong. "De finder GenX overalt nu. Men en forskel mellem de to er, at folk tidligere har rapporteret en vis succes med katalysatorer til nedbrydning af PFOA. Det har de ikke for GenX."

Wong og kolleger fandt ud af, at bornitridpulver også ødelægger GenX. Resultaterne var ikke så gode som med PFOA:Med to timers eksponering for 254 nanometer lys, BN ødelagde omkring 20% ​​af GenX i vandprøver. Men Wong sagde, at holdet har ideer om, hvordan man kan forbedre katalysatoren til GenX.

Han sagde, at projektet allerede har tiltrukket sig opmærksomhed fra flere industrielle partnere i det risbaserede Nanosystems Engineering Research Center for Nanotechnology-Enabled Water Treatment (NEWT). NEWT er et tværfagligt ingeniørforskningscenter finansieret af National Science Foundation til at udvikle off-grid vandbehandlingssystemer, der både beskytter menneskeliv og understøtter bæredygtig økonomisk udvikling.

"Undersøgelsen har været sjov, en ægte holdindsats, " sagde Wong. "Vi har indgivet patenter på dette, og NEWTs interesse i yderligere test og udvikling af teknologien er en stor tillidserklæring."