Пер- и полифторалкильные вещества (ПФАС), известные как «вечные химикаты», представляют собой стойкие синтетические соединения, широко используемые благодаря их устойчивости к теплу, воде и маслу. Однако их химическая стабильность приводит к накоплению в окружающей среде, загрязнению водных ресурсов и создает значительные риски для здоровья, включая рак и нарушения иммунной системы. Традиционные методы утилизации ПФАС часто дороги, энергозатратны и могут приводить к образованию вторичных загрязнителей, что обуславливает острую потребность в инновационных и экологически безопасных решениях.
Исследователи из Университета Райса разработали новый метод, названный Мгновенным Джоулевым Нагревом (Flash Joule Heating, FJH), который решает сразу две задачи. Во-первых, он эффективно разрушает опасные ПФАС. Во-вторых, он преобразует отработанный углеродный материал, использованный для их улавливания, в ценный графен. Руководят исследованием Джеймс Тур, профессор химии имени Т. Т. и В. Ф. Чао, профессор материаловедения и наноинженерии, и аспирантка Фелеция Скотланд.
Процесс FJH начинается с гранулированного активированного угля (ГАУ), насыщенного ПФАС. К этой смеси добавляются минерализующие агенты, такие как соли натрия или кальция. Затем к смеси прикладывается высокое напряжение, которое генерирует интенсивный нагрев. Температура превышает 3000 градусов Цельсия, но длится менее одной секунды.
Под воздействием столь высокой температуры прочные связи углерод-фтор в молекулах ПФАС разрываются. В результате химической трансформации ПФАС преобразуются в инертные, нетоксичные фторидные соли, безопасные для окружающей среды. Это решает проблему стойкости и токсичности исходных загрязнителей.
Одновременно с разрушением ПФАС происходит преобразование самого гранулированного активированного угля. Интенсивный нагрев превращает отработанный уголь в графен — ценный материал с уникальными свойствами, используемый в электронике, строительстве и других отраслях промышленности. Этот процесс «апсайклинга» превращает отходы в ресурс.
Исследования продемонстрировали высокую эффективность метода FJH. Было достигнуто более 96% дефторирования (удаления фтора из молекул ПФАС). Для перфтороктановой кислоты (ПФОК), одного из самых распространенных ПФАС-загрязнителей, эффективность удаления составила 99,98%. Важно отметить, что аналитические тесты не выявили обнаруживаемых количеств вредных летучих органических фторидов, часто образующихся при других методах обработки ПФАС.
Метод FJH показал свою универсальность, эффективно работая не только с наиболее изученными ПФАС, такими как ПФОК и перфтороктансульфоновая кислота, но и с наиболее устойчивым типом — Teflon R. Высокие температуры процесса предполагают его потенциальную способность разрушать широкий спектр соединений ПФАС, открывая перспективы для более широкого применения в очистке воды и управлении отходами.
Процесс FJH можно адаптировать для производства других ценных углеродных материалов, таких как углеродные нанотрубки или наноалмазы, что еще больше повышает его экономическую привлекательность. Фелеция Скотланд назвала этот «подход двойного назначения прорывным», поскольку он «превращает отходы в ресурс» и несет в себе «перспективу нулевых чистых затрат» на очистку.
По словам Скотланд, эта разработка представляет собой «шаг вперед в борьбе с вечными химикатами» и дает «надежду на защиту качества воды и охрану здоровья населения во всем мире». Результаты исследования были опубликованы 31 марта в журнале Nature Water.
Исследователи из Университета Райса разработали новый метод, названный Мгновенным Джоулевым Нагревом (Flash Joule Heating, FJH), который решает сразу две задачи. Во-первых, он эффективно разрушает опасные ПФАС. Во-вторых, он преобразует отработанный углеродный материал, использованный для их улавливания, в ценный графен. Руководят исследованием Джеймс Тур, профессор химии имени Т. Т. и В. Ф. Чао, профессор материаловедения и наноинженерии, и аспирантка Фелеция Скотланд.
Процесс FJH начинается с гранулированного активированного угля (ГАУ), насыщенного ПФАС. К этой смеси добавляются минерализующие агенты, такие как соли натрия или кальция. Затем к смеси прикладывается высокое напряжение, которое генерирует интенсивный нагрев. Температура превышает 3000 градусов Цельсия, но длится менее одной секунды.
Под воздействием столь высокой температуры прочные связи углерод-фтор в молекулах ПФАС разрываются. В результате химической трансформации ПФАС преобразуются в инертные, нетоксичные фторидные соли, безопасные для окружающей среды. Это решает проблему стойкости и токсичности исходных загрязнителей.
Одновременно с разрушением ПФАС происходит преобразование самого гранулированного активированного угля. Интенсивный нагрев превращает отработанный уголь в графен — ценный материал с уникальными свойствами, используемый в электронике, строительстве и других отраслях промышленности. Этот процесс «апсайклинга» превращает отходы в ресурс.
Исследования продемонстрировали высокую эффективность метода FJH. Было достигнуто более 96% дефторирования (удаления фтора из молекул ПФАС). Для перфтороктановой кислоты (ПФОК), одного из самых распространенных ПФАС-загрязнителей, эффективность удаления составила 99,98%. Важно отметить, что аналитические тесты не выявили обнаруживаемых количеств вредных летучих органических фторидов, часто образующихся при других методах обработки ПФАС.
Метод FJH показал свою универсальность, эффективно работая не только с наиболее изученными ПФАС, такими как ПФОК и перфтороктансульфоновая кислота, но и с наиболее устойчивым типом — Teflon R. Высокие температуры процесса предполагают его потенциальную способность разрушать широкий спектр соединений ПФАС, открывая перспективы для более широкого применения в очистке воды и управлении отходами.
Процесс FJH можно адаптировать для производства других ценных углеродных материалов, таких как углеродные нанотрубки или наноалмазы, что еще больше повышает его экономическую привлекательность. Фелеция Скотланд назвала этот «подход двойного назначения прорывным», поскольку он «превращает отходы в ресурс» и несет в себе «перспективу нулевых чистых затрат» на очистку.
По словам Скотланд, эта разработка представляет собой «шаг вперед в борьбе с вечными химикатами» и дает «надежду на защиту качества воды и охрану здоровья населения во всем мире». Результаты исследования были опубликованы 31 марта в журнале Nature Water.