Per-i poli-fluoroalkil supstance (PFAS) su poznate kao „zauvek hemikalije“ jer su poznato da su otporne na degradaciju. Zbog svoje stabilne hemijske strukture, PFAS — koji se nalazi u hiljadama varijanti — koristi se u ambalaži za hranu otpornu na ulje i masnoću, nelepljivom posuđu, kozmetici, odeći i peni za gašenje požara.
Hemikalije su toliko rasprostranjene da su se infiltrirale u izvore vode i zemljište. U stvari, nedavni izveštaji su otkrili da veliki deo naših globalnih vodnih resursa premašuje granice za piće PFAS-a, a zabrinutost zbog njihovog uticaja na životnu sredinu i zdravlje stalno je eskalirala.
Uprkos tekućim naporima da se razviju načini degradacije PFAS, trenutne metode su ograničene nedostatkom efikasnih, skalabilnih i ekološki prihvatljivih procesa.
Sada je tim naučnika sa Hemijske škole UNSV dizajnirao sistem katalizatora koji može aktivirati reakciju za razbijanje uobičajenih tipova razgranatog PFAS-a. Nova metoda, koju su razvili dr Jun Sun i profesor Naresh Kumar i nedavno objavljena u časopisu Istraživanje vode, obećava efikasniju i održiviju sanaciju PFAS-a u budućnosti.
Radeći zajedno sa prof. Denisom O’Carrollom, prof. Michaelom Manefieldom i dr. Matthev Leejem sa UNSV School of Civil and Environmental Engineering, tim je dizajnirao sistem katalizatora koji bi mogao igrati ključnu ulogu u rješavanju problema PFAS.
„Zahvaljujući svojoj robusnoj prirodi, jednostavnoj primeni i isplativosti, novi sistem koji smo razvili pokazuje uspešnu sanaciju PFAS-a u laboratoriji, za koju se nadamo da ćemo na kraju testirati u većem obimu“, kaže dr Sun, prvi autor rada .
Od 1940-ih, PFAS hemikalije su se proizvodile u industrijskom obimu, sa svojom jedinstvenom strukturom koja se koristi u različitim komercijalnim i industrijskim primenama, pre svega protivpožarne pene.
„U vreme kada se PFAS proizvodio globalno, nije se shvatilo da je ova hemikalija u suštini neuništiva“, kaže prof. Kumar.
Hemikalija je toliko otporna na degradaciju da ljudi u Australiji – i širom sveta – verovatno imaju nizak nivo PFAS u svojim telima. „PFAS je toliko robusna hemikalija da se ne može razgraditi u ljudskom telu“, kaže prof. Kumar. „I to je postalo briga.“
Neka naučna istraživanja sugerišu da izloženost određenim PFAS-ima može dovesti do štetnih zdravstvenih ishoda, ali je potrebno više dokaza da bi se otkrilo kako različiti nivoi izloženosti PFAS-u mogu dovesti do različitih zdravstvenih efekata.
PFOA, jedan od najzabrinjavajućih tipova PFAS, podleže Stokholmskoj konvenciji o postojanim organskim zagađivačima (POPs). 2023. godine, Međunarodna agencija Svetske zdravstvene organizacije (SZO) za istraživanje raka (IARC) reklasifikovala je PFOA iz mogućeg kancerogena za ljude u kancerogen grupe 1, zbog ubedljivih dokaza o njegovoj kancerogenosti kod ljudi.
Zbog potencijalnih rizika i njihove trajnosti, mnoga regulatorna tela su pooštrila propise PFAS i postavila predostrožnosti ograničenja za vodu za piće, uključujući i Australiju.
„Naporna potreba za efikasnom sanacijom PFAS-a dovela je do istraživanja širokog spektra metoda lečenja, od procesa fizičkog odvajanja do naprednih tehnika uništavanja, koje sve imaju svoja ograničenja“, kaže dr Džun.
PFAS je fluorovana hemikalija vezana jakim vezama ugljenik-fluorid (C–F), koje je poznato teško razbiti.
Postojeći metod za uklanjanje PFAS iz vode i tla funkcioniše tako što se PFAS apsorbuje na ugljenični materijal. „Dakle, ako imate jastučić od aktivnog uglja i propuštate vodu kroz njega, možete apsorbovati PFAS na aktivni ugalj, ali onda morate da ga spalite da biste uništili PFAS ili ga bezbedno uskladištili“, kaže prof. Kumar.
Ovo je naporan i energetski neefikasan proces, a da ne spominjemo uticaje sagorevanja ugljeničnih materijala na životnu sredinu. I dok tehnike fizičkog odvajanja kao što je ova nude potencijal za izolovanje PFAS-a, one zapravo ne uništavaju hemikaliju, što na kraju pogoršava izazove upravljanja povezanim sa otpadom kontaminiranim PFAS-om.
Drugi metod koji su naučnici istražili koristi jak oksidant da ga razbije. Međutim, ovaj proces zahteva agresivne hemikalije koje razlažu PFAS na manje strukture, koje može postati još teže potpuno ukloniti.
„Postoji stalna potreba da se smisli energetski efikasan i ekološki prihvatljiv način za uklanjanje PFAS iz vode“, kaže dr Sun. „Metoda koju smo razvili je vrsta reduktivne defluorizacije, koja smanjuje toksičnost PFAS-a razbijanjem jakih C-F veza razgranatog PFAS-a.“
Nano nul-valentni metali (nZVM) su vrsta ekološki prihvatljivog hemijskog redukcionog sredstva koje naučnici koriste decenijama u tretmanu podzemnih voda i zemljišta kontaminiranog hlorisanim jedinjenjima, koristeći proces dehlorisanja.
Uprkos njegovom potencijalu na drugim mestima, kao što je uklanjanje teških metala iz podzemnih voda, nedostajalo je istraživanja o defluoraciji PFAS pomoću nZVM-a, uglavnom zbog nedostatka odgovarajućih katalizatora potrebnih za aktiviranje reakcije.
Prethodne studije pokazuju da se PFAS može razgraditi korišćenjem nano nul-valentnog cinka i prirodnog katalizatora vitamina B12, vitamina rastvorljivog u vodi koji je prisutan u našoj svakodnevnoj ishrani. Ali opet, pokazalo se da je proces spor i neefikasan.
„Inspirisani činjenicom da B12 ima potencijal da katalizuje ovu reakciju, želeli smo da sintetišemo katalizator koji odražava jedinstveni oblik prstena B12, što smo uradili koristeći strukturu poznatu kao porfirinski prsten“, kaže dr Sun.
Testirajući svoj metod na dva uobičajena tipa PFAS-razgranati PFOS i PFOA-prof. Kumar i dr Sun su pomešali hemikalije PFAS sa nZVM i porfirinskim prstenom u puferskom rastvoru i izmerili razgradnju PFAS.
„To smo uradili tako što smo pratili koliko se fluorida oslobađa dok se te jake veze ugljenik-fluorid razbijaju“, kaže dr Sun. „Dakle, jednostavnim merenjem količine fluoridnog jona koji se proizvodi reakcijom, možemo reći koliko je PFAS-a degradirano.“
„Takođe smo uporedili ove rezultate sa postojećim katalizatorima B12 i otkrili da je kobalt porfirinski prsten koji smo koristili efikasniji i brži u degradaciji razgranatog PFAS-a“, kaže dr Sun.
Rezultati ove najnovije studije otkrili su da je u roku od pet sati otpušteno približno 75% fluorida iz razgranatog PFOS-a i PFOA, što je značajno smanjilo količinu PFAS-a u rastvoru. U međuvremenu, katalizatorski sistem zasnovan na B12 pokazao je samo manje od 8% defluoracije u roku od pet sati.
Iako su potrebna dalja istraživanja pre nego što vidimo da se ovaj metod primenjuje u velikim razmerama, prof. Kumar, dr Sun i tim imaju čvrsto postavljene ciljeve za sledeće korake.
„Sledeći korak za nas je da ovo zaista isprobamo na pilot skali da vidimo da li se to može uraditi van laboratorije na pravom uzorku“, kaže prof. Kumar. „Onda bismo želeli da to isprobamo u pravom sistemu za prečišćavanje vode ili na mestima koja su kontaminirana PFAS-om.
Tim takođe razmatra načine da poveća proces na ekološki prihvatljiv način, ugradnjom katalizatora u elektrodu. „Ovi nalazi bi nam omogućili da postavimo katalitički sistem u elektrohemijskoj ćeliji, gde primenjeni napon može da zameni nano nul-valentni cink tako da se PFAS može razgraditi unutar ćelije“, kaže prof. Kumar.
„Nadamo se da ćemo ovu metodu isprobati na linearnom PFAS, a ne samo na razgranatim tipovima“, kaže dr Sun. „Ali već smo korak bliže rešavanju široko rasprostranjenog ekološkog problema.
