Новый метод расщепляет опасные химические вещества на безвредные вещества. Результаты показывают, что ультразвуковая технология может эффективно обрабатывать пер- и полифторалкильные вещества (PFAS), широко известные как «вечные химикаты», для очистки загрязненных грунтовых вод. Эти химические вещества, разработанные почти сто лет назад, используются для производства широкого спектра продуктов, таких как сковороды с антипригарным покрытием, водонепроницаемая одежда и средства личной гигиены. Сегодня ученые знают, что воздействие ПФАС может вызвать ряд проблем со здоровьем человека, таких как врожденные дефекты и рак. Но поскольку связи внутри этих химических веществ разрушаются нелегко, их трудно удалить из окружающей среды.

Новое исследование показывает, что ультразвуковая технология может эффективно очищать вредное химическое вещество перфтороктановый сульфонат (ПФАС) в загрязненных грунтовых водах. Этот метод отличается от традиционных методов очистки тем, что он более эффективен при разложении более мелких соединений ПФАС. Это исследование расширяет предыдущие исследования по деградации лекарств, демонстрируя, что ультразвук может разрушать стабильные связи углерод-фтор в ПФАС. Хотя этот подход является дорогостоящим и энергоемким, он может иметь решающее значение для защиты источников воды и указывает на потенциальное направление для будущих технологий очистки воды.

Эти трудности побудили исследователей из Университета штата Огайо изучить, как обработка ультразвуком — процесс, в котором используется звук для разложения веществ путем расщепления молекул, из которых они состоят, — действует на различные типы и концентрации этих химических веществ.

Ультразвуковая обработка: потенциальное решение

Экспериментируя с приготовленной в лаборатории смесью, содержащей соединения фторбензолсульфоновой кислоты трех разных размеров, соединения ПФАС, обычно встречающиеся в пене для пожаротушения, их результаты показали, что в течение трех часов более мелкие соединения разлагаются гораздо быстрее, чем более крупные. В этом отличие от многих других методов лечения ПФОС, где более мелкие ПФОС на самом деле лечить труднее.

«Наше исследование показывает, что сложные соединения меньшего размера можно лечить более эффективно, чем более крупные соединения», — сказала соавтор исследования Линда Уиверс, профессор гражданского, экологического и геотехнического проектирования в Университете штата Огайо. «В этом и заключается потенциальная ценность этой технологии».

Исследование было опубликовано в Журнале физической химии А.

Это одно из немногих исследований, посвященных изучению того, как ультразвук можно использовать для удаления токсичного химического вещества перфтороктановый сульфонат (ПФАС) из окружающей среды. Эта статья является продолжением предыдущего исследования Уиверса, которое показало, что та же технология может также разлагать фармацевтические препараты в муниципальной водопроводной и сточных водах.

Ультразвук в сравнении с традиционными методами

«Соединения PFAS уникальны тем, что многие методы разрушения, которые мы используем в экологической инженерии для других трудноудаляемых соединений, на них не работают», — сказал Уиверс. «Поэтому нам действительно необходимо разработать ряд методов, чтобы определить, какие из них могут быть полезны в различных приложениях».

В отличие от других традиционных методов уничтожения, которые пытаются разрушить ПФОС путем реакции с окисляющими химическими веществами, ультразвук обеззараживает эти вещества, излучая звуки на частотах, намного более низких, чем те, которые обычно используются в медицинской визуализации. Низкочастотные волны давления ультразвука сжимают и разрывают раствор, создавая воздушные карманы, называемые кавитационными пузырьками. Когда пузыри схлопываются, они приобретают огромный импульс и энергию, сжимая и сверхсжимая их, нагревая пузыри.

«Подобно мощной камере сгорания, температура внутри этих крошечных пузырьков может достигать 10 000 Кельвинов, и именно это тепло разрушает стабильные связи углерод-фтор, из которых состоит ПФОС, и делает побочные продукты практически безвредными», — сказал Веверс. «К сожалению, этот метод деградации может быть дорогостоящим и чрезвычайно энергоемким, но при наличии небольшого количества других вариантов общественность может захотеть рассмотреть возможность инвестирования в этот метод для защиты грунтовых вод для питья и других целей».

Нормативные меры и осведомленность общественности

В то же время, когда производство отказывается от использования PFAS, регулирующие органы также работают над повышением осведомленности общественности о том, как избежать использования PFAS. Ранее в этом году Агентство по охране окружающей среды предложило Национальное регулирование первичной питьевой воды (NPDWR), которое потребует от общественных систем водоснабжения контролировать определенные PFAS, уведомлять общественность об уровнях этих веществ и принимать меры по снижению их уровня, если уровни превышают определенные пределы.

Поскольку ультразвук эффективно удаляет ПФОС из растворов, исследование пришло к выводу, что ученым и правительственным учреждениям следует рассмотреть возможность использования ультразвука при разработке будущих технологий лечения и в сочетании с другими комплексными методами лечения.

Хотя исследования Уиверс пока нельзя распространить на более масштабные усилия по борьбе с загрязнением окружающей среды, исследование предполагает, что их работа может стать началом создания небольших высокоэнергетических устройств для фильтрации воды, которые люди смогут использовать в своих домах.

«Наше исследование вращается вокруг того, как масштабировать это и что нужно, чтобы это заработало», — сказал Веверс. «Эти соединения встречаются повсюду, поэтому, когда мы узнаем о них больше, понимание того, как они разлагаются и разрушаются, важно для дальнейшего развития науки».