For evigt skadelige kemikalier fjernet fra vand med ny elektrokatalysemetode

Forskere fra University of Rochester har udviklet nye elektrokemiske tilgange til at rense forurening fra "evigt kemikalier", der findes i tøj, fødevareemballage, brandslukningsskum og en bred vifte af andre produkter. Et nyt Journal of Catalysis undersøgelse beskriver nanokatalysatorer udviklet til at afhjælpe per- og polyfluoralkylstoffer kendt som PFAS.

Forskerne, ledet af adjunkt i kemiteknik Astrid Müller, fokuserede på en specifik type PFAS kaldet Perfluoroctane sulfonate (PFOS), som engang var meget udbredt til pletbestandige produkter, men som nu er forbudt i store dele af verden på grund af dets skade på menneskers og dyrs sundhed. PFOS er stadig udbredt og persistent i miljøet på trods af, at den blev udfaset af amerikanske producenter i begyndelsen af ​​2000'erne, og den fortsatte med at dukke op i vandforsyningerne.

Müller og hendes hold af materialevidenskab Ph.D. studerende skabte nanokatalysatorerne ved hjælp af hendes unikke kombination af ekspertise inden for ultrahurtige lasere, materialevidenskab, kemi og kemiteknik.

"Ved at bruge pulserende laser i væskesyntese kan vi kontrollere overfladekemien af ​​disse katalysatorer på måder, du ikke kan gøre i traditionelle vådkemimetoder," siger Müller. "Du kan kontrollere størrelsen af ​​de resulterende nanopartikler gennem lys-stof-interaktionen, dybest set sprænge dem fra hinanden."

Forskerne klæber derefter nanopartiklerne til kulstofpapir, der er hydrofilt. Det giver et billigt underlag med et stort overfladeareal. Ved at bruge lithiumhydroxid i høje koncentrationer defluorerede de PFOS-kemikalierne fuldstændigt.

Müller siger, at for at processen skal fungere i stor skala, skal de behandle mindst en kubikmeter ad gangen. Det er afgørende, at deres nye tilgang bruger alle uædle metaller, i modsætning til eksisterende metoder, der kræver bor-doterede diamanter. Ifølge deres beregninger ville behandling af en kubikmeter forurenet vand ved hjælp af bor-doteret diamant koste 8,5 millioner dollars; den nye metode er næsten 100 gange billigere.

Udnyttelse af PFAS-kemikalier på bæredygtige måder

I fremtidige undersøgelser håber Müller at forstå, hvorfor lithiumhydroxid fungerer så godt, og om endnu billigere, mere rigelige materialer kan erstattes for at reducere omkostningerne yderligere. Hun ønsker også at anvende metoden på en række PFAS-kemikalier, der stadig er almindeligt anvendt, men som er blevet forbundet med sundhedsproblemer lige fra udvikling hos babyer til nyrekræft.

Müller siger, at det på trods af deres problemer ikke er praktisk at forbyde alle PFAS-kemikalier og stoffer på grund af deres anvendelighed ikke kun i forbrugerprodukter, men også i grønne teknologier.

"Jeg vil hævde, at i sidste ende afhænger en masse afkarboniseringsbestræbelser - fra geotermiske varmepumper til effektiv køling til solceller - af tilgængeligheden af ​​PFAS," siger Müller. "Jeg tror på, at det er muligt at bruge PFAS på en cirkulær, bæredygtig måde, hvis vi kan udnytte elektrokatalytiske løsninger til at bryde fluorcarbonbindinger og få fluoridet sikkert ud igen uden at bringe det ud i miljøet."

Selvom kommercialisering er langt væk, indgav Müller et patent med støtte fra URVentures og forudser, at det bliver brugt på spildevandsbehandlingsanlæg og af virksomheder til at rense forurenede steder, hvor de plejede at producere disse PFAS-kemikalier. Hun kalder det også et spørgsmål om social retfærdighed.

"Ofte i områder med lavere indkomst over hele kloden er der mere forurening," siger Müller. "En fordel ved en elektrokatalytisk tilgang er, at du kan bruge den på en distribueret måde med et lille fodaftryk ved at bruge elektricitet fra solpaneler."

Flere oplysninger: Ziyi Meng et al., Komplet elektrokatalytisk defluorering af perfluoroctansulfonat i vandig opløsning med uædle materialer, Journal of Catalysis (2024). DOI:10.1016/j.jcat.2024.115403

Leveret af University of Rochester