Forskere udvikler en reaktor, der kan ødelægge kemikalier for evigt

"For evigt kemikalier," opkaldt efter deres evne til at forblive i vand og jord, er en klasse af molekyler, der altid er til stede i vores daglige liv, herunder fødevareemballage og husholdningsrengøringsprodukter. Fordi disse kemikalier ikke nedbrydes, ender de i vores vand og mad, og de kan føre til sundhedseffekter, såsom kræft eller nedsat fertilitet.

I sidste måned foreslog U.S. Environmental Protection Agency at give to af de mest almindelige evige kemikalier, kendt som PFOA og PFOS, en "superfund"-betegnelse, hvilket ville gøre det lettere for EPA at spore dem og planlægge oprydningsforanstaltninger.

Oprydning ville naturligvis være mere effektiv, hvis de evige kemikalier kunne blive ødelagt i processen, og mange forskere har undersøgt, hvordan man kan nedbryde dem. Nu har et team af forskere ved University of Washington en ny måde at ødelægge både PFOA og PFOS. Forskerne skabte en reaktor, der fuldstændigt kan nedbryde kemikalier, der er svære at ødelægge, ved hjælp af "superkritisk vand", som dannes ved høj temperatur og tryk. Denne teknologi kan hjælpe med at behandle industriaffald, ødelægge koncentrerede for evigt kemikalier, der allerede findes i miljøet og håndtere gamle lagre, såsom for evigt kemikalier i brandslukningsskum.

Holdet offentliggjorde disse resultater i Chemical Engineering Journal .

UW News talte med seniorforfatter Igor Novosselov, en UW forskningslektor i maskinteknik, for at lære om detaljerne.

Hvad er superkritisk vand, og hvordan kan det ødelægge disse molekyler?

Igor Novosselov :Vores reaktor opvarmer stort set vand meget hurtigt, men den opvarmer vand anderledes, end når du koger det til pasta. Typisk hæver du temperaturen, vandet koger og bliver til damp. Derfra bliver vandet og dampen ikke varmere end 100 grader Celsius (212 F).

Men hvis du komprimerer vand, kan du ændre ligevægten og få det kogepunkt ved meget varmere temperaturer. Hvis du øger trykket, stiger kogetemperaturen. På et tidspunkt vil vandet ikke gå fra væske til damp. I stedet vil du ramme et kritisk punkt, hvor vand vil nå en anden tilstand af stof, kaldet den superkritiske fase. Her er vand ikke en væske eller en gas. Det er noget imellem, og linjerne er lidt uklare der. Det er noget som et plasma, hvor vandmolekylerne bliver som ioniserede partikler. Disse delvist dissocierede molekyler hopper rundt ved høje temperaturer og høje hastigheder. Det er et meget ætsende og kemisk aggressivt miljø, hvor organiske molekyler ikke kan overleve.

Kemikalier, der overlever evigt i normalt vand, såsom PFOS og PFOA, kan nedbrydes i superkritisk vand med meget høj hastighed. Hvis vi får betingelserne rigtige, kan disse genstridige molekyler blive fuldstændig ødelagt, uden at efterlade mellemprodukter og kun give uskadelige stoffer, såsom kuldioxid, vand og fluorsalte, som ofte tilsættes kommunalt vand og tandpasta.

Hvordan kom du i gang med at designe denne reaktor?

Novosselov :Vi designede det oprindeligt til at nedbryde kemiske krigsførelsesmidler, som også er virkelig svære at ødelægge. Det tog os fem år at lave reaktoren. Der var vigtige spørgsmål som, hvordan holder vi tingene på det pres? Inde i reaktoren er trykket 200 gange højere end ved havoverfladen. Et andet spørgsmål, vi havde, var:Hvordan sikrer vi, at reaktoren antændes og kører ved en bestemt temperatur i kontinuerlig tilstand? Det blev et ingeniørprojekt, men vi er trods alt ingeniører.

Hvordan fungerer reaktoren?

Novosselov :Det hele er inde i et tykt rustfrit stålrør omkring en fod langt og en tomme i diameter. Vi kan variere temperaturen indeni for at finde ud af, hvor varmt vi skal gå for fuldstændig at ødelægge et kemikalie. Nogle kemikalier kræver 400 C (752 F), nogle 650 C (1202 F).

I toppen af ​​reaktoren injicerer vi løbende pilotbrændstof, luft og det kemikalie, vi ønsker at ødelægge, for eksempel:PFOS, i det superkritiske vand. Brændstoffet giver den nødvendige varme til, at blandingen forbliver superkritisk, og PFOS blander sig hurtigt med dette aggressive medie. Samlet set er reaktionstiden mindre end et minut. I bunden af ​​reaktoren køles blandingen ned for at give både væske- og gasudledning. Vi kan analysere, hvad der er i både væske- og gasfasen for at måle, om vi har ødelagt kemikaliet.

Hvad fandt du?

Novosselov :Vi lavede det samme eksperiment med PFOS og PFOA, fordi begge er reguleret af EPA. Vi så, at PFOA forsvinder ved milde superkritiske forhold (omkring 400 grader C eller 750 F), men PFOS gør det ikke. Det tog, indtil vi nåede 610 grader C (1130 F) at se ødelæggelsen af ​​PFOS. Ved den temperatur blev PFOS og alle mellemprodukter ødelagt - i løbet af 30 sekunder.

Ved lavere temperaturer viste PFOS-eksperimenter dannelsen af ​​en række mellemliggende molekyler, herunder PFOA. Nogle af disse nedbrydningsprodukter kom ud i flydende fase, hvilket betyder, at de kan være til stede i spildevand på produktionssteder, der bruger evigt kemikalier. Men andre mellemprodukter kommer ud i gasfasen, hvilket er problematisk, fordi gasudledningen typisk ikke er reguleret. Disse molekyler indeholder grundstoffet fluor, og vi ved, at disse typer gasser bidrager til drivhuseffekter. Lige nu har vi ikke en måde at overvåge gasforureningen i realtid, og vi ved ikke, hvor meget vi ville producere eller endda deres nøjagtige kemiske sammensætning.

Hvad er det næste for dette projekt?

Novosselov :Vi har et par næste trin. Vi har brugt reaktoren til at se, hvor godt den ødelægger andre evige kemikalier udover PFOS og PFOA. Vi vurderer også, hvor godt denne teknologi kan fungere i scenarier i den virkelige verden. Du kan for eksempel ikke behandle hele havet sådan. Men vi kunne muligvis bruge dette til at behandle eksisterende problemer, såsom evigt kemisk affald på produktionssteder.

For evigt kemisk forurening er et stort problem, og det vil ikke forsvinde. Vi er glade for at arbejde på det og samarbejde med regulatorer og førende grupper i den akademiske verden og industrien for at finde løsningen. + Udforsk yderligere

EPA udpeger "for evigt kemikalier" som farlige stoffer