Новая технология улавливает и уничтожает «вечные химикаты» в воде

Исследователи разработали первую экологически чистую технологию, позволяющую быстро улавливать и уничтожать токсичные «вечные химикаты» в воде.

Выводы в Расширенные материалы ознаменуют собой важный шаг на пути к решению одной из самых устойчивых экологических угроз в мире.

Что такое вечные химикаты?

Химические вещества Форевер (PFAS, сокращение от пер- и полифторалкильных веществ) — это синтетические химикаты, впервые произведенные в 1940-х годах и используемые в самых разных продуктах: от тефлоновых сковородок до водонепроницаемой одежды и упаковки для пищевых продуктов.

Их способность противостоять теплу, жиру и воде сделала их ценными для промышленности и потребителей. Но та же стойкость означает, что они нелегко разлагаются, за что получили прозвище «вечные химикаты».

Сегодня ПФАС встречаются в воде, почве и воздухе по всему миру. Исследования связывают их с повреждением печени, репродуктивными расстройствами, нарушениями иммунной системы и некоторые виды рака. Усилия по очистке ПФАС оказались трудными, поскольку химические вещества трудно удалить и уничтожить после попадания в окружающую среду.

Ограничения нынешних технологий

Традиционные методы очистки PFAS обычно основаны на адсорбции, при которой молекулы прилипают к таким материалам, как активированный уголь или ионообменные смолы. Хотя эти методы широко используются, они имеют серьезные недостатки: низкую эффективность, низкую производительность, ограниченную производительность и создание дополнительных отходов, требующих утилизации.

«Существующие методы удаления PFAS слишком медленны, неэффективны и создают вторичные отходы», — говорит Майкл С. Вонг, профессор Школы инженерии и вычислительной техники Джорджа Р. Брауна при Университете Райса.

«Наш новый подход предлагает устойчивую и высокоэффективную альтернативу».

Прорывной материал

Новая инновация основана на слоистом двойном гидроксиде (LDH) из меди и алюминия, впервые обнаруженном Кеон-Хамом Кимом, профессором Национального университета Пукён в Южной Корее, будучи аспирантом Корейского передового института науки и технологий (KAIST) в 2021 году.

Экспериментируя с этими материалами, Янгкун Чунг, научный сотрудник под руководством Вонга, обнаружил, что один состав с нитратом может адсорбировать ПФАС с рекордной эффективностью.

«К моему удивлению, это соединение ЛДГ улавливает ПФАС более чем в 1000 раз лучше, чем другие материалы», — говорит Чанг, ведущий автор исследования, а теперь научный сотрудник Института Райса WaTER (водные технологии, предпринимательство и исследования) и Института устойчивого развития.

«Он также работал невероятно быстро, удаляя большое количество ПФАС за считанные минуты, что примерно в 100 раз быстрее, чем коммерческие угольные фильтры».

Эффективность материала обусловлена его уникальной внутренней структурой. Его организованные медно-алюминиевые слои в сочетании с небольшим дисбалансом зарядов создают идеальную среду для быстрого и прочного связывания молекул ПФАС.

Чтобы проверить практичность технологии, команда оценила содержание ЛДГ в речной, водопроводной и сточных водах. Во всех случаях он оказался высокоэффективным, хорошо зарекомендовав себя как в статических, так и в проточных системах. Результаты предполагают большой потенциал для крупномасштабного применения в муниципальной очистке воды и промышленной очистке.

Захватить и уничтожить

Удаление ПФАС из воды – это лишь часть проблемы. Их безопасное уничтожение не менее важно. Работая с профессорами Райс Педро Альваресом и Джеймсом Туром, Чанг разработал метод термического разложения ПФАС, захваченного на материале ЛДГ. Нагревая насыщенный материал карбонатом кальция, команда устранила более половины захваченного ПФАС, не выделяя при этом токсичных побочных продуктов. Примечательно, что этот процесс также регенерировал ЛДГ, что позволило использовать его многократно.

Предварительные исследования показали, что этот материал может пройти как минимум шесть полных циклов улавливания, разрушения и обновления, что делает его первой известной экологически чистой и устойчивой системой удаления ПФАС.

«Мы воодушевлены потенциалом этой единственной в своем роде технологии на основе ЛДГ, которая изменит способ очистки источников воды, загрязненных ПФАС, в ближайшем будущем», — говорит Вонг.

Поддержка этому исследованию была оказана в рамках Программы фундаментальных научных исследований через Национальный исследовательский фонд Кореи, финансируемой Министерством образования, грантов Национального исследования конвергенции научных проблем и Научной стипендии Седжона через Национальный исследовательский фонд Кореи и финансирования Министерства науки и ИКТ. Эта работа также финансировалась Saudi Aramco-KAIST CO2 Management, Исследовательским центром наносистемной инженерии по очистке воды с использованием нанотехнологий (NEWT), грантом Центра инженерных исследований и разработок Инженерного корпуса армии США, Институтом устойчивого развития риса и Институтом рисовой воды.

Источник: Университет Райса