Учёные нашли способ полного разложения стойких загрязнителей PFAS с помощью заряженных микрокапель

Перфторалкильные и полифторалкильные вещества (PFAS), созданные человеком, являются широко распространёнными и стойкими загрязнителями, которые всё чаще подвергаются строгим нормативным порогам в водных ресурсах. Существующие нетепловые стратегии дефторирования имеют ограничения, включая неполную минерализацию, оставляя после себя короткоцепочечные побочные продукты PFAS и остаточные ионы фтора, что создаёт проблемы для соответствия стандартам качества воды.

В исследовании, опубликованном в Journal of the American Chemical Society, группа под руководством профессора Ван Фэна и доцента Цзя Сюцюаня из Даляньского института химической физики Китайской академии наук (CAS) вместе с командой профессора Цзян Гуйбиня из Исследовательского центра эко-экологических наук CAS, достигла полной минерализации перфтороктановой кислоты (PFOA) и иммобилизации фтора с использованием микрокластера, обогащённого микрокаплями, содержащими волластонит.

Микрокластер характеризовался быстрым переключением фазы воды между объёмной фазой, микрокаплями и паровой фазой, управляемым ультразвуковым распылением. В этом процессе генерировались положительно заряженные крупные капли и отрицательно заряженные мелкие капли — явление, известное как эффект Ленарда.

Электростатическое притяжение между противоположно заряженными каплями вызывало их быстрое слияние, заставляя их быстро мигрировать или возвращаться в объёмную фазу. Эти быстрые циклы распыления-слияния способствовали устойчивому переносу электронов между заряженными каплями, делая таким образом окислительно-восстановительные реакции термодинамически осуществимыми.

Исследователи обнаружили, что микрокапли, содержащие волластонит, отдавали приоритет дефторированию над расщеплением C–C в перфторалкильных цепях через трёхфазный контакт жидкость-твёрдое тело-газ, что приводило к полной минерализации PFOA с едва обнаруживаемыми короткоцепочечными анионными побочными продуктами PFAS. Опосредованное микрокаплями выветривание волластонита вызывало образование CaF₂-SiO₂ интерфейсных структур через взаимодействия Si-F-Ca, обеспечивая иммобилизацию фтора с незначительным выщелачиванием.

Кроме того, исследователи продемонстрировали, что реакции дефторирования инициировались присоединением электрона в сочетании с переносом протона или H^• во время гидродефторирования, а также процессом окисления C–H связи, опосредованным ^•OH. Этот подход снизил концентрацию PFOA до уровня значительно ниже 4 частей на триллион (предел максимального загрязнения, установленный Агентством по охране окружающей среды США), при этом производились короткоцепочечные анионные побочные продукты PFAS с концентрациями значительно ниже 500 частей на триллион (предлагаемый общий предел PFAS, требуемый пересмотренной Директивой по питьевой воде Европейского агентства по окружающей среде).

Более того, исследователи обнаружили, что опосредованное микрокаплями выветривание CaSiO₃ и генерированного in situ кремнезёма приводило к образованию CaF₂-SiO₂ интерфейсных структур, в результате чего концентрация остатка F^– колебалась вокруг нормативного предела 1 частей на миллион, установленного стандартами качества поверхностных вод. Взаимодействие между микрокаплями и минералами позволило эффективно расщеплять связь C–C, производя синтез-газ с выходом углерода более 98% и регулируемыми соотношениями H₂/CO от 0,5 до 1.

«Наше исследование показывает, что помимо потенциальных применений микрокапель в практической очистке воды в окружающих условиях, микрокапли из облаков и морских брызг могут обладать значительной, но упускаемой из виду способностью к самоочищению от загрязнителей PFAS в глобальном масштабе», — сказал профессор Ван.

PFAS — это группа искусственных химических веществ, которые с 1940-х годов широко используются в различных промышленных и потребительских продуктах благодаря своим водо- и жироотталкивающим свойствам. Они содержатся в антипригарных покрытиях, упаковке пищевых продуктов, огнетушительной пене и многих других товарах. Из-за своей чрезвычайной устойчивости к разложению PFAS получили название «вечные химикаты» и представляют серьёзную экологическую проблему по всему миру.