Учёные разработали два эффективных метода удаления «вечных химикатов» за считанные минуты

Слияние методов обещает предоставить энергоэффективный и безреагентный способ очистки промышленных сточных вод

Немецкие исследователи экспериментально подтвердили два независимых подхода к разрушению пер- и полифторалкильных соединений (PFAS) — группы из более чем 10 000 синтетических веществ, которые не разлагаются в природе, накапливаются в живых организмах и связаны с онкологическими и иммунными расстройствами. Оба подхода направлены на разрушение исключительно прочной связи углерод-фтор и приводят к образованию нетоксичных фторид-ионов. Результаты опубликованы в журналах Chemical Engineering Journal Advances и Scientific Reports.

Первый метод, гидродинамическая кавитация, пропускает загрязненную воду через узкое сопло. Из-за разницы в давлении образуются микропузырьки пара, которые схлопываются вниз по потоку. В момент коллапса температура внутри пузырька локально увеличивается до нескольких тысяч градусов, в результате чего из воды образуются высокореактивные гидроксильные радикалы. Молекулы PFAS, прикрепленные к поверхности пузырьков, подвергаются одновременно термическому и химическому воздействию.

В экспериментах с перфтороктансульфонатом (ПФОС) — одним из самых стойких и хорошо изученных представителей группы — за цикл обработки разрушалось около 37% растворенного вещества, причем эта доля увеличивалась с увеличением времени обработки. В настоящее время группа работает над повышением этого показателя: цель — добиться более 80% деградации и минерализовать более половины связанного фтора.

Второй метод использует холодную атмосферную плазму, генерируемую непосредственно над поверхностью воды, и параллельную продувку воздуха через жидкость. Пузырьки выполняют двойную функцию: гидрофобные «хвосты» молекул концентрируются на границе между газом и жидкостью, в то время как само перемешивание постоянно подтягивает новые порции загрязнителей в область плазменного разряда.

Ключевым агентом разрушения выступают сольватированные электроны (окруженные плотным слоем молекул растворителя), которые атакуют связи углерод-фтор. При начальной концентрации ПФОС 5 мг/л такой режим за 20 минут обеспечил деградацию на 99,99%, а 35% атомов фтора перешло в раствор в виде фторидов. Период полураспада вещества сократился с 13,4 минут (чистая плазма) до 1,6 минуты. Энергозатраты на уменьшение концентрации на один порядок составили 39 кВт·ч на кубометр — на порядок меньше, чем при прямом ультрафиолетовом облучении или термическом сжигании, где аналогичные показатели достигают тысяч и десятков тысяч кВт·ч.

Тем не менее, плазменный метод быстрее расходует энергию на единицу объема и производит целый ряд промежуточных продуктов, включая газообразные фторсодержащие соединения, которые пока не изучены полностью. Поэтому исследователи намерены объединить оба принципа в одной установке: высокореактивные частицы из плазмы вместе с кавитационным перемешиванием и локальными тепловыми скачками должны одновременно увеличить скорость реакции и более полно замкнуть баланс фтора в жидкой фазе.

Уже проводятся эксперименты по масштабированию до 5 литров реакционного объема.

Традиционные методы очистки — фильтрация активированным углем или ионообменными смолами — лишь концентрируют PFAS и создают вторичные токсичные отходы. Разрабатываемые кавитационные и плазменные технологии имеют потенциал стать первым промышленно масштабируемым методом именно необратимого разрушения «вечных химикатов» без добавления химических реагентов и с умеренным энергопотреблением.