Forskere bruger elektronstråler til at udrydde for evigt kemikalier i vand

Brug af nonstick køkkengrej til at stege din bacon og æg kan gøre dit liv lettere i det øjeblik, men forskere mener, at der kan være langsigtede konsekvenser, fordi de kemikalier, der bruges til at gøre det nonstick, er så svære at ødelægge. Perfluoralkyl- og polyfluoralkylstoffer - almindeligvis kendt som PFAS og ofte kaldet for evigt kemikalier - er overalt.

PFAS, en række af tusindvis af kemikalier, der har eksisteret i det mindste siden 1950'erne, bruges til en lang række ting, lige fra pletbeskyttende midler på noget af dit tøj og sengetøj til madpakkerne på dine burgere.

Problemet er, at naturlige processer er ineffektive til at nedbryde PFAS, så de ophobes i miljøet og kroppen, ligesom Styrofoam gør på en losseplads. Eksperter inden for videnskab og industri søger måder at forhindre PFAS-forurening i at forekomme i fremtiden, men de sigter også mod at reducere det, der allerede eksisterer i verden i dag.

Det viser sig, at højenergi-elektronstråler er fremragende kandidater til at ødelægge PFAS i miljøet. Forskere ved det amerikanske energiministeriums Fermi National Accelerator Laboratory har i samarbejde med 3M med succes demonstreret, at en elektronstråle kan ødelægge de to mest almindelige typer PFAS i vand - PFOA og PFOS.

"Elektronstrålen er en lovende teknologi til at nedbryde PFAS i store mængder vand, der indeholder høje koncentrationer af PFAS," sagde Fermilabs hovedefterforsker Charlie Cooper.

Fermilab-teamet, som omfatter videnskabsmanden Slavica Grdanovska, ingeniørfysikeren Yichen Ji og Cooper, brugte en elektronstråleaccelerator i laboratoriet til deres test. Brugt til proof-of-concept testning, Accelerator Application Development and Demonstration accelerator, eller A2D2, ved Illinois Accelerator Research Center på Fermilabs campus er også tilgængelig for industri, universiteter og andre føderale laboratorier som et forskningsværktøj.

"Det faktum, at vi arbejdede med 3M, en verdensekspert i PFAS, var virkelig første gang, du havde eksperter i ioniserende stråling, elektronstråleacceleratorer og PFAS, der arbejdede på det samme projekt," sagde Cooper.

Elektronstråler til undsætning

Konventionelle vandbehandlingsmetoder, såsom omvendt osmose, granulært aktivt kul eller ionbytterharpiks, ødelægger ikke PFAS; de koncentrerer blot PFAS i en form, som efterfølgende kræver behandling eller bortskaffelse. I nogle tilfælde kan konventionelle vandbehandlingsteknikker endda gøre miljøforureningen værre.

I modsætning hertil ødelægger elektronstrålen aktivt de evige kemikalier og gør det hurtigt, hvilket gør det muligt at behandle en større mængde vand på samme tid som nogle andre metoder. PFAS-molekyler er svære at nedbryde, fordi de indeholder en kulstof-fluorbinding, som er meget stærk og grunden til, at PFAS er almindeligt anvendt i den kemiske fremstillingsindustri. Men styrken af ​​den C–F-binding er også grunden til, at de ikke nedbrydes i naturen. Elektronstrålen er imidlertid meget effektiv til at bryde den C-F-binding.

Elektronstråler kan bruges i pumpe-og-behandlingsmetoder, en almindelig grundvandsbehandlingsmetode eller i et produktionsanlæg, der direkte behandler affaldsstrømme, før de forlader anlægget.

Demonstrer dets effektivitet

Fermilab-teamet brugte PFAS-kontaminerede vandprøver leveret af 3M, som blev forseglet i gastætte beholdere på størrelse med en whiteboard-markør. Hver af beholderne var lavet af borosilikatglas, som ikke ville blive væsentligt påvirket af udsættelse for elektronstråler, og en aluminiumsforsegling blev krympet på glasset med et stykke PFAS-fri gummi mellem aluminium og glasset. Der blev taget stor omhu for at sikre, at der ikke var PFAS i nogen af ​​de materialer, der blev brugt til at huse prøverne. Fermilab bestrålede disse prøver med elektronstrålen og sendte dem tilbage til 3M.

3M tog prøver af både headspace - luften i toppen af ​​beholderen - og væsken for at bekræfte, at den bekymringsfulde PFAS var blevet ødelagt uden at frigive farlige produkter til luften.

PFAS er udbredt i mange industrier, og det samme er den menneskelige afhængighed af essentielle produkter, der indeholder PFAS, såsom computere og lithium-ion-batterier. Et af de mest problematiske PFAS-holdige produkter med hensyn til miljøforurening har historisk været vandigt filmdannende skum, eller AFFF, som blev brugt til brandslukning i lufthavne og i militæret; den er lavet af PFOA og PFOS.

Når du sprøjter AFFF på en væske, bevæger den sig til overfladen og slukker ilden ved at forhindre ilt i at komme til den. Men når det bruges, kan det sive ned i jord og grundvand. AFFF er blevet brugt i USA og på verdensplan i årtier, hovedsageligt af militær- og luftfartsindustrien. For nylig begyndte både regeringen og industrien at undersøge PFAS-fri erstatninger. Alternativer findes dog ikke i mange applikationer og er svære at finde eller udføre mindre effektivt.

Selvom elektronstråler er meget effektive til at nedbryde hele suiter af PFAS-forbindelser, er ikke alle forbindelser blevet testet indtil videre. Forskerne fandt ud af, at alle de PFAS-forbindelser, som U.S. Environmental Protection Agency i øjeblikket overvejer at regulere i drikkevand, blev effektivt ødelagt af elektronstråleteknologi. Men der kan være typer af PFAS, en elektronstråle ikke kan ødelægge.

Forskning fortsætter på flere fronter for at finde alternativer til PFAS. Samtidig vil ledere inden for videnskab og industri fortsætte med at søge efter og forbedre metoder til at udrydde disse for evigt kemikalier i miljøet. Fermilab og dets elektronstråleteknologi står i spidsen for denne forskning.

Leveret af Fermi National Accelerator Laboratory