Простой метод уничтожает опасные «вечные химические вещества», делая воду безопасной
Если вы в отчаянии из-за недавних сообщений о том, что источники воды на Земле были полностью заражены опасными антропогенными химическими веществами, называемыми PFAS, которые могут сохраняться в течение тысяч лет, делая даже дождевую воду небезопасной для питья, есть хорошие новости.
Химики из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе и Северо-Западного университета разработали простой способ расщепления почти дюжины видов этих почти неразрушимых «вечных химикатов» при относительно низких температурах без вредных побочных продуктов.
В статье, опубликованной сегодня в журнале Science , исследователи показывают, что в воде, нагретой всего до 176–248 градусов по Фаренгейту, обычные недорогие растворители и реагенты разорвали молекулярные связи в PFAS, которые являются одними из самых сильных известных, и инициировали химическую реакцию, которая «постепенно «откусывал молекулу», пока она не исчезла, сказал выдающийся профессор Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе и соавтор-корреспондент Кендалл Хоук.
Простая технология, сравнительно низкие температуры и отсутствие вредных побочных продуктов означают, что нет предела тому, сколько воды можно обрабатывать за один раз, добавил Хоук. В конечном итоге эта технология может упростить водоочистным сооружениям удаление ПФАС из питьевой воды.
Пер- и полифторалкильные вещества — сокращенно ПФАС — представляют собой класс из примерно 12 000 синтетических химикатов, которые использовались с 1940-х годов в антипригарной посуде, водостойкой косметике, шампунях, электронике, пищевой упаковке и бесчисленном количестве других продуктов. Они содержат связь между атомами углерода и фтора, которую ничто в природе не может разрушить.
Когда эти химические вещества попадают в окружающую среду в результате производства или повседневного использования продуктов, они становятся частью круговорота воды на Земле. За последние 70 лет ПФАВ загрязнили практически каждую каплю воды на планете, а их прочная связь углерод-фтор позволяет им проходить через большинство систем очистки воды совершенно невредимыми. Они могут накапливаться в тканях людей и животных с течением времени и причинять вред способами, которые ученые только начинают понимать. Некоторые виды рака и заболевания щитовидной железы, например, связаны с PFAS.
По этим причинам поиск способов удаления ПФАС из воды стал особенно актуальным. Ученые экспериментируют со многими технологиями восстановления, но большинство из них требуют чрезвычайно высоких температур, специальных химикатов или ультрафиолетового света и иногда производят побочные продукты, которые также вредны и требуют дополнительных шагов для удаления.
Ведущий PFAS на гильотину
Профессор химии Северо-Запада Уильям Дихтель и докторант Бриттани Транг заметили, что, хотя молекулы ПФАС содержат длинный «хвост» из неподатливых углерод-фтористых связей, их «головная» группа часто содержит заряженные атомы кислорода, которые сильно реагируют с другими молекулами. Команда Дихтеля построила химическую гильотину, нагревая PFAS в воде с диметилсульфоксидом, также известным как ДМСО, и гидроксидом натрия или щелочью, которая отрезала голову и оставляла незащищенный реактивный хвост.
«Это вызвало все эти реакции, и он начал выделять атомы фтора из этих соединений с образованием фторида, который является самой безопасной формой фтора», — сказал Диктел. «Хотя связи углерод-фтор сверхсильны, эта заряженная головная группа является ахиллесовой пятой».
Но эксперименты выявили еще один сюрприз: казалось, что молекулы не распадаются на части так, как следует общепринятому мнению.
Чтобы разгадать эту загадку, Дихтел и Транг поделились своими данными с соавторами Хоуком и студенткой Тяньцзиньского университета Юли Ли, которая во время пандемии работала в группе Хоука удаленно из Китая. Исследователи ожидали, что молекулы ПФАС будут расщеплять по одному атому углерода за раз, но Ли и Хоук провели компьютерное моделирование, которое показало, что две или три молекулы углерода отделяются от молекул одновременно, как это наблюдали экспериментально Дихтель и Танг.
Моделирование также показало, что единственными побочными продуктами должны быть фторид, который часто добавляют в питьевую воду для предотвращения кариеса, а также углекислый газ и муравьиная кислота, которые не являются вредными. Диктель и Транг подтвердили эти предсказанные побочные продукты в дальнейших экспериментах.
«Это оказался очень сложный набор вычислений, который бросил вызов самым современным квантово-механическим методам и самым быстрым компьютерам, доступным нам», — сказал Хоук. «Квантовая механика — это математический метод, который моделирует всю химию, но только в последнее десятилетие мы смогли взяться за такие большие механические задачи, оценивая все возможности и определяя, какая из них может произойти с наблюдаемой скоростью».
Ли, по словам Хоука, освоил эти вычислительные методы и много работал с Трангом, чтобы решить фундаментальную, но практически важную проблему.
Текущая работа разложила 10 типов перфторалкилкарбоновых кислот (PFCA) и перфторалкилэфиркарбоновых кислот (PFECA), включая перфтороктановую кислоту (PFOA). Исследователи считают, что их метод будет работать для большинства ПФАВ, содержащих карбоновые кислоты, и надеются, что он поможет выявить слабые места в других классах ПФАВ. Они надеются, что эти обнадеживающие результаты приведут к дальнейшим исследованиям, которые проверят методы искоренения тысяч других типов PFAS.
Исследование «Низкотемпературная минерализация перфторкарбоновых кислот» было поддержано Национальным научным фондом.
