Ερευνητές από το Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) ανέπτυξαν δύο νέες τεχνολογίες για τη διάσπαση των υπερφθοριωμένων και πολυφθοριωμένων αλκυλιωμένων ουσιών (PFAS), των λεγόμενων «παντοτινών χημικών», που θεωρούνται από τους πιο ανθεκτικούς και επίμονους ρύπους στο περιβάλλον.
Οι δύο μέθοδοι – η υδροδυναμική σπηλαίωση και το ψυχρό ατμοσφαιρικό πλάσμα σε συνδυασμό με διασπορά αερίου – παρουσιάστηκαν στις επιστημονικές επιθεωρήσεις Chemical Engineering Journal Advances και Scientific Reports. Παράλληλα, ερευνητές του Helmholtz Center for Environmental Research (UFZ) επιβεβαίωσαν μέσω αναλύσεων ότι οι τεχνικές αυτές διασπούν τις ενώσεις PFAS και απελευθερώνουν φθόριο υπό μορφή φθοριούχων αλάτων.
Εφόσον καταστούν εμπορικά αξιοποιήσιμες, οι τεχνολογίες αυτές θα μπορούσαν να μειώσουν σημαντικά την απελευθέρωση PFAS στα υδάτινα οικοσυστήματα.
Γιατί τα PFAS αποτελούν σοβαρό πρόβλημα
Οι ουσίες PFAS χρησιμοποιούνται εδώ και δεκαετίες σε πλήθος βιομηχανικών προϊόντων χάρη στην εξαιρετική αντοχή τους στη θερμότητα, στο νερό και στα χημικά.
Η ίδια αυτή ανθεκτικότητα, όμως, τις καθιστά εξαιρετικά δύσκολες στη διάσπαση. Οι ισχυροί δεσμοί μεταξύ άνθρακα και φθορίου επιτρέπουν στις ενώσεις να παραμένουν στο περιβάλλον για πολύ μεγάλο χρονικό διάστημα.
Ορισμένες από αυτές τις ουσίες θεωρείται ότι μπορούν να προκαλέσουν γενετικές αλλοιώσεις και να αυξήσουν τον κίνδυνο εμφάνισης καρκίνου, ενώ για πολλές από τις περισσότερες από 10.000 γνωστές ενώσεις PFAS οι επιπτώσεις στην υγεία δεν έχουν ακόμη πλήρως διευκρινιστεί.
Οι ενώσεις αυτές καταλήγουν μέσω των λυμάτων σε ποτάμια και θάλασσες, ενώ πρόσφατα καταγράφηκαν υψηλές συγκεντρώσεις και στον ποταμό Έλβα της Γερμανίας.
Η υδροδυναμική σπηλαίωση αξιοποιεί την κατάρρευση φυσαλίδων
Η πρώτη μέθοδος βασίζεται στην υδροδυναμική σπηλαίωση.
Το νερό που περιέχει PFAS διοχετεύεται μέσα από μια στενή δίοδο, δημιουργώντας μικροσκοπικές φυσαλίδες ατμού. Οι μακράς αλυσίδας ενώσεις PFAS προσκολλώνται στην επιφάνεια των φυσαλίδων και, όταν αυτές καταρρεύσουν λόγω της αυξημένης πίεσης, δημιουργούνται τοπικά θερμοκρασίες αρκετών χιλιάδων βαθμών Κελσίου.
Παράλληλα σχηματίζονται ιδιαίτερα δραστικές υδροξυλομάδες, οι οποίες επιτίθενται στα ενδιάμεσα προϊόντα της αντίδρασης και ενισχύουν τη διάσπαση των PFAS.
Στα πειράματα με υπερφθοροοκτανοσουλφονικό οξύ (PFOS), μία από τις πιο ανθεκτικές ενώσεις της οικογένειας PFAS, οι ερευνητές πέτυχαν διάσπαση περίπου του 37% των διαλυμένων μορίων, ενώ παρατηρήθηκε σταδιακή αύξηση της συγκέντρωσης φθοριούχων ιόντων στο νερό.
Στόχος της ομάδας είναι να αυξήσει το ποσοστό διάσπασης σε περισσότερο από 80% και να απελευθερώνεται τουλάχιστον το 50% του δεσμευμένου φθορίου.
Το ψυχρό πλάσμα πέτυχε σχεδόν πλήρη αποδόμηση
Η δεύτερη προσέγγιση χρησιμοποιεί ψυχρό ατμοσφαιρικό πλάσμα σε συνδυασμό με διασπορά αερίου.
Η μέθοδος λειτουργεί σε συνθήκες περιβάλλοντος, χωρίς την ανάγκη καταλυτών ή πρόσθετων χημικών ουσιών.
Οι ερευνητές δημιουργούν πλάσμα πάνω από την επιφάνεια του νερού, ενώ ταυτόχρονα διοχετεύουν αέριο μέσα στο μολυσμένο υγρό. Οι ενώσεις PFAS προσκολλώνται στις φυσαλίδες αερίου, μεταφέρονται στην επιφάνεια και εκεί διασπώνται από τα ιδιαίτερα δραστικά χημικά είδη που δημιουργεί το πλάσμα.
Με αυτήν τη μέθοδο επιτεύχθηκε σχεδόν πλήρης αποδόμηση τόσο των ενώσεων μικρής όσο και μεγάλης αλυσίδας, ενώ περίπου το 35% των ατόμων φθορίου απελευθερώθηκε ως φθοριούχα άλατα.
Υψηλή απόδοση αλλά αυξημένη κατανάλωση ενέργειας
Παρότι η μέθοδος με το πλάσμα εμφανίζει σημαντικά ταχύτερους ρυθμούς αντίδρασης σε σχέση με τη σπηλαίωση, παρουσιάζει και μειονεκτήματα.
Απαιτεί πολύ μεγαλύτερη κατανάλωση ενέργειας ανά όγκο νερού, ενώ παράγει αρκετά ενδιάμεσα προϊόντα μετασχηματισμού, συμπεριλαμβανομένων αέριων ενώσεων, οι οποίες δεν έχουν ακόμη μελετηθεί πλήρως ως προς τις πιθανές επιπτώσεις τους στην ανθρώπινη υγεία και στο περιβάλλον.
Οι επιστήμονες πραγματοποιούν ήδη νέες δοκιμές ώστε να διαπιστώσουν εάν σχηματίζονται επικίνδυνες ουσίες και πώς μπορούν να περιοριστούν.
Επόμενος στόχος η εφαρμογή σε μεγάλη κλίμακα
Η ερευνητική ομάδα εργάζεται πλέον στην κλιμάκωση της τεχνολογίας, αυξάνοντας σταδιακά τον όγκο επεξεργασίας από περίπου 50 χιλιοστόλιτρα σε 5 λίτρα νερού.
Παράλληλα εξετάζει τον συνδυασμό των δύο τεχνολογιών, αξιοποιώντας ταυτόχρονα τα ιδιαίτερα δραστικά χημικά είδη που παράγει το πλάσμα και τις ακραίες συνθήκες που δημιουργεί η σπηλαίωση.
Οι ερευνητές εκτιμούν ότι ο συνδυασμός αυτός μπορεί να οδηγήσει σε μια νέα, ιδιαίτερα αποτελεσματική τεχνολογία απομάκρυνσης των PFAS από μολυσμένα υδάτινα συστήματα, συμβάλλοντας ουσιαστικά στον περιορισμό ενός από τα σημαντικότερα περιβαλλοντικά προβλήματα των τελευταίων δεκαετιών.
