Группа немецких исследователей экспериментально подтвердила эффективность двух независимых подходов к уничтожению пер- и полифторалкильных соединений (PFAS). Эти вещества, которых насчитывается более 10 000 видов, называют «вечными химикатами»: они практически не разлагаются в естественной среде, имеют свойство накапливаться в организмах и провоцируют развитие серьезных онкологических и иммунных заболеваний. Новые методы нацелены на разрушение чрезвычайно прочной химической связи углерод-фтор, превращая вредные соединения в безопасные фторид-ионы. Подробности работы опубликованы в изданиях Chemical Engineering Journal Advances и Scientific Reports.
Гидродинамическая кавитация
Первый метод основан на явлении гидродинамической кавитации. Загрязненная вода проходит через узкое сопло, создающее резкий перепад давления. Это приводит к образованию микроскопических паровых пузырьков, которые стремительно схлопываются при выходе из сопла. В момент коллапса температура внутри каждого такого пузырька кратковременно достигает нескольких тысяч градусов, а в толще воды генерируются высокореактивные гидроксильные радикалы. Молекулы PFAS, концентрирующиеся на поверхности пузырьков, подвергаются интенсивному термическому и химическому воздействию.
В ходе испытаний с перфтороктансульфонатом (ПФОС), который является одним из самых устойчивых представителей данной группы, за один цикл обработки удалось разрушить около 37% вещества. Эффективность процесса возрастает при увеличении времени обработки. В планах ученых — оптимизация метода для достижения деградации свыше 80% и минерализации более половины общего объема связанного фтора.
Холодная плазма как инструмент очистки
Второй способ предполагает использование холодной атмосферной плазмы, которая генерируется непосредственно над поверхностью воды, совмещенное с принудительной подачей воздуха через жидкость. Пузырьки воздуха выполняют двойную функцию: гидрофобные хвосты молекул PFAS притягиваются к границе раздела сред газ-жидкость, а постоянное перемешивание направляет новые порции загрязнителя в область плазменного разряда.
Основную роль в разрушении молекул играют сольватированные электроны, которые атакуют связи углерод-фтор. При начальной концентрации ПФОС 5 мг/л этот метод позволил достичь деградации 99,99% вещества всего за 20 минут, при этом 35% атомов фтора перешли в раствор в виде ионов. Период полураспада ПФОС сократился с 13,4 минуты при использовании чистой плазмы до 1,6 минуты в новом режиме. Энергопотребление составило 39 кВт·ч на кубометр для снижения концентрации на порядок — это существенно экономичнее традиционных методов, таких как ультрафиолетовое облучение или термическое сжигание, требующих тысяч кВт·ч.
Перспективы масштабирования
Несмотря на высокую эффективность, плазменный метод расходует значительное количество энергии и создает сложные промежуточные продукты, включая газообразные соединения, состав которых еще предстоит детально изучить. Исследователи планируют объединить оба принципа в одной установке: кавитационное перемешивание в сочетании с плазменными частицами должно не только ускорить реакцию, но и позволить эффективнее контролировать баланс фтора. На текущий момент уже проводятся опыты с реакционным объемом в 5 литров.
Современные методы, включая фильтрацию активированным углем или применение ионообменных смол, лишь концентрируют «вечные химикаты», оставляя проблему вторичных токсичных отходов нерешенной. Разрабатываемые технологии обещают стать первым способом промышленного уничтожения PFAS без использования сторонних реагентов при адекватном энергопотреблении.
