Blæser for evigt kemikalier ud af vandet med en hvirvel af koldt plasma

Forskere fra Drexel University har fundet en måde at ødelægge stædigt modstandsdygtige giftige forbindelser, ildevarslende døbt "for evigt kemikalier, ", der har forurenet drikkevandet fra millioner af mennesker i hele USA.

Disse kemikalier, almindeligvis kaldet PFAS - en forkortelse af per- og polyfluoralkylstoffer, været brugt i omkring 60 år som belægning til nonstick-pander og vandtæt beklædning og i brandslukningsskum. I de sidste to årtier har bekymringer om sundhedsrisici forbundet med eksponering for PFAS – fra kræft og problemer med skjoldbruskkirtlen til lav fødselsvægt og højt blodtryk – ført til føderale forbud, overvågningsmandater og massive udbedringsindsatser.

Men at fjerne disse kemikalier - oprindeligt designet til at modstå høje temperaturer fra brændstofdrevne brande - fra drikkevand har vist sig at være næsten umuligt.

"De kemiske carbon-fluorid-bindinger i PFAS-forbindelser er ekstremt stabile, så det er umuligt at nedbryde disse forbindelser ved hjælp af standardbehandlingsmetoder, " sagde Christopher Sales, Ph.D., en lektor i miljøteknik ved Drexel, der studerer nedbrydning af miljøforurenende stoffer.

Salg er en del af et team fra Drexel's College of Engineering og C. &J. Nyheim Plasma Institute, der undersøger, hvordan en eksplosion af ladet gas, kaldet kold plasma, kan bruges til at fjerne PFAS fra vand. Hans gruppe offentliggjorde for nylig sin forskning i tidsskriftet Miljøvidenskab:Vandforskning og -teknologi .

"Dette er blevet et presserende problem, fordi vi ser PFAS dukke op overalt, ikke kun i vandet og jorden i nærheden af ​​lufthavne, der brugte det i brandslukningsskum, men også i mange forbrugsvarer som pletbestandige stoffer og fødevareemballage designet til at afvise væsker og fedt" Salg sagde. "Fordi disse kemikalier ikke let bionedbrydes, PFAS udvaskes til grund- og overfladevand fra produkter, der har ligget på lossepladser i årtier."

Selvom præcise eksponeringsveje endnu ikke er blevet identificeret, undersøgelser tyder på, at PFAS er blevet påvist i blodbanen hos så meget som 98 procent af den amerikanske befolkning gennem en kombination af direkte eksponering, drikkevandsforurening og bioakkumulering.

Forsvarsministeriet bruger i øjeblikket milliarder af dollars på at rense forurenede jordvandsforsyninger omkring hundredvis af militærbaser, hvor PFAS-brandslukningsskum var blevet brugt. Men den bedste indsats er kun en stopklods, ifølge Salg.

"Den nuværende standard for håndtering af PFAS-forurenet vand er aktive kulfiltre, "Salg sagde. "Men problemet med filtrering er, at det kun opsamler PFAS, det ødelægger det ikke. Så, medmindre filtrene forbrændes ved høje temperaturer, de brugte filtre bliver en ny kilde til PFAS, der kan finde vej tilbage til miljøet gennem afstrømning af lossepladser og nedsivning."

For virkelig at eliminere kemikalierne skal behandlingen adskille kulstof-fluorid-bindingen, der er nøglen til forbindelsens udholdenhed. Forskellige typer PFAS, som nu tæller i tusindvis, består af kulstof-fluoridkæder af forskellig længde. Det primære mål med foreslåede dekontamineringsmetoder er at bryde kæden i mindre stykker for at gøre den inert. En sekundær, og mere udfordrende mål, fjerner fuldstændigt fluoridatomerne fra forbindelserne - en præstation kaldet defluorering.

En måde at fjerne PFAS fra vand er ved at hæve dets temperaturer, hvilket øger aktiviteten af ​​dets atomer nok til at strække kulstof-fluorid-bindingen til dets bristepunkt. Desværre, det kræver meget mere end kogning at slippe af med PFAS, ifølge Salg.

"For at bryde den ekstremt stabile binding mellem kulstof og fluor i PFAS, du skal hæve temperaturen af ​​forbindelserne til mindst 1, 000 Celsius - altså 10 gange temperaturen af ​​kogende vand, Salg sagde. "Men det er tydeligvis ikke muligt for vandbehandlingsoperationer, på grund af den enorme mængde energi, det ville forbruge."

Drexel-teamet foreslår brug af meget energiforsynet gas, eller plasma, som en måde at aktivere PFAS-atomerne på uden at opvarme vandet.

I uligevægt, eller "kold" plasma, et elektromagnetisk felt bruges til at excitere elektronerne i en gas uden at hæve dens samlede temperatur. I et almindeligt eksempel på kold plasma, et fluorescerende lys, elektroner exciteres til det punkt, hvor de udsender synligt lys, mens selve gassen forbliver ved stuetemperatur.

Forskere ved Nyheim Plasma Institute har brugt ikke-ligevægtsplasmateknologi til dekontaminering og sterilisering af produkter og kød og i sundhedsmiljøer.

At slå det løs på PFAS er det kemiske svar til at bruge en blender til at lave en smoothie.

Først, en enhed kaldet en glidende bueplasmatron skaber et roterende elektromagnetisk felt, der aktiverer elektroner af gasbobler i vandet. De højenergielektroner adskiller kemiske arter i vandet og begynder at udsende ultraviolet stråling. Ultimativt, den roterende hvirvel af atomer, ioner og stråling når et aktivitetsniveau, der er højt nok til at bryde kulstof-fluorid-bindingen i PFAS-forbindelserne - alt sammen uden at hæve temperaturen i vandet.

På kun en times behandling, der bruger lidt mere energi, end det ville tage at få en te-kedel til at koge, glidebueplasmabehandlingen kan fjerne mere end 90 procent af PFAS fra vandet og defluorere omkring en fjerdedel af forbindelserne, ifølge gruppens nyligt offentliggjorte undersøgelse.

"Dette er blot et eksempel på, hvor effektivt og energieffektivt kold plasmateknologi kan bruges til at løse vanskelige kemiske kontamineringsproblemer, " sagde Alexander Fridman, Ph.D., direktør for Nyheim Plasma Institute. "Kold plasma har potentialet til at hjælpe os med at fjerne en række kemiske toksiner, der truer vores mad- og drikkevandsforsyninger."

Mens plasmabehandlingsmetoder til fjernelse af PFAS er blevet testet af andre grupper, indtil videre er ingen af ​​dem egnet til let at blive opskaleret til brug på store behandlingsanlæg, ifølge Drexel-forskerne.

"Nu hvor vi har bevist effektiviteten af ​​koldt plasmavandbehandling er vores næste skridt at fortsætte med at teste det i større skala, " sagde Fridman. "Vi mener også, at teknologien kan justeres til at behandle forurenet jord og for at opnå næsten fuldstændig defluorering af PFAS-forbindelser."