Jednostavno rečeno
Istraživači su napravili posebnu membranu koja iz vode hvata šest vrsta štetnih PFAS jedinjenja i pomaže da se ona hemijski razgrade, umjesto da samo završe u drugom otpadu. U ispitivanju koje je trajalo 58 dana uklonjeno je do 96% zagađivača, a uklonjeno je i do 83% fluora. Tehnologiju još treba unaprijediti, naročito zato što je za nju potreban skup metal paladij.
Prečišćavanje vode zagađene jedinjenjima PFAS suočava se s dva povezana problema: kako ih ukloniti iz vode i šta uraditi s njima nakon što se uhvate. Istraživački tim s Arizona State University, zajedno s partnerskim ustanovama, razvio je eksperimentalno rješenje koje objedinjuje oba zadatka u katalitičkoj membrani. Ona privlači zagađivače na svoju površinu, a zatim omogućava uslove u kojima neke hemijske veze koje ih čine izuzetno postojanim mogu početi da se razgrađuju. Rezultati, objavljeni u časopisu Proceedings of the National Academy of Sciences, ukazuju na mogućnost da se ode korak dalje od pukog premještanja zagađivača iz vode u drugi otpad.
Od odvajanja zagađivača do izazova njihove razgradnje
Grupa PFAS obuhvata jedinjenja koja sadrže veze između atoma ugljika i fluora. S njima je teško izaći na kraj upravo zato što su te veze veoma jake, pa njihovo raskidanje predstavlja izazov za uobičajene postupke prečišćavanja. Zbog toga se PFAS ponekad nazivaju vječnim hemikalijama. To ne znači da se nikada ne mogu promijeniti, nego da se veoma teško razgrađuju i da je njihovo uklanjanje složen zadatak.
Postupci poput filtracije aktivnim ugljem, jonske izmjene i membranske filtracije mogu izdvojiti PFAS iz vode. Međutim, ako zagađivač više nije u tečnosti, to ne znači nužno da je uništen. Može se nakupiti u istrošenom materijalu ili u otpadnoj vodi koja zatim zahtijeva dodatnu obradu. Tako se na jednom mjestu može smanjiti zagađenje vode, ali ostaje opterećenje u obliku zagađenog otpada koji treba prikupiti, skladištiti ili dalje obrađivati.
Nova ideja je da membrana ne bude samo prepreka koja razdvaja zagađivače od vode. Ona istovremeno služi kao površina koja hvata jedinjenja i nosi hemijski katalizator, što omogućava da aktivni vodik reaguje s njima. Uklanjanje atoma fluora iz molekula uz pomoć vodika naziva se defluoriranje hidrogenacijom. Tako cilj ove metode nije samo premještanje PFAS iz jednog mjesta na drugo.
Mikroskopska vlakna spajaju zagađivače i vodik
Sistem se sastoji od membranskih vlakana presvučenih paladijem, metalom koji ovdje djeluje kao katalizator. Kroz vlakna se propušta plinoviti vodik, koji stiže do sloja paladija. Tada nastaju dva oblika aktivnog vodika. Oni se razlikuju po mjestu na kojem se nalaze i ulozi koju imaju u materijalu, ali zajedno učestvuju u obradi zagađivača.
Prvi oblik nalazi se na površini paladija i pomaže da se molekuli PFAS privuku i zadrže u blizini mjesta na kojem se odvija reakcija. Drugi oblik prodire u paladij i skladišti se u obliku beta-faze paladij-hidrida. Ta zaliha doprinosi pokretačkoj sili potrebnoj za reakcije defluoriranja. Sistem se, dakle, ne oslanja samo na to da zagađivač usput naiđe pored katalizatora. Umjesto toga, zagađivač i vodik okupljaju se u istom površinskom području, dok se istovremeno koristi i vodik uskladišten unutar metala.
Pojednostavljeno rečeno, membrana podsjeća na malo radno mjesto pričvršćeno za vlakna: njena površina privlači ciljne molekule, vodik im dolazi u susret, a hemijska reakcija odvija se blizu mjesta na kojem se dodiruju. Ipak, poređenje ne znači da se svaki molekul koji prođe kroz sistem razgradi u istoj mjeri. Rezultati su pokazali razlike među jedinjenjima, a udio uklanjanja iz vode nije isti kao udio uklonjenog fluora.
Da bi utvrdili šta se dešava unutar materijala, istraživači su analizirali njegovo čvrsto stanje. Uočili su stvaranje paladij-hidrida, kao i širenje kristalne strukture paladija povezano sa skladištenjem vodika. Ta zapažanja pomažu da se razumije kako se aktivni vodik stvara, skladišti i koristi unutar membrane. Tako se ne mjeri samo koliko je zagađivača nestalo iz vode, nego se ispituje i šta se dešava u samom materijalu.
Šest jedinjenja ispitivano tokom 58 dana
Istraživači su membranu testirali na šest jedinjenja važnih za propise: PFOA, PFOS, PFNA, PFHxS i PFBS, kao i GenX. Sistem je radio neprekidno 58 dana. Tokom ispitivanja, najbolji rezultat bio je uklanjanje 96% ciljanih zagađivača, dok je udio defluoriranja dostigao 83%.
Ova dva broja opisuju različite faze obrade. Uklanjanje pokazuje koliki dio zagađivača, prema mjerenjima u eksperimentu, više nije bio prisutan u vodi koja je izlazila iz sistema. Defluoriranje se, s druge strane, odnosi na hemijsku promjenu kojom se uklanja fluor iz molekula. Zato se samo procenat uklanjanja ne može tumačiti kao dokaz da se sve što je nestalo iz vode u potpunosti pretvorilo u razgrađene produkte. Drugi procenat pokazuje koliki je dio hemijske promjene zaista postignut.
Najbolji zabilježeni rezultati ne znače da je svako od šest jedinjenja dalo isti ishod. Pokazalo se da djelovanje membrane zavisi od strukture molekula. PFAS jedinjenja s dužim lancima uklanjala su se i defluorirala brže od srodnih jedinjenja s kraćim lancima. Ta razlika je važna kada se razmatra obrada vode koja sadrži mješavinu zagađivača: takva mješavina ne mora se ponašati kao jedinstvena cjelina u dodiru s membranom.
Zašto se GenX teže razgrađivao?
U poređenju s ostalim ispitivanim jedinjenjima, GenX se pokazao otpornijim na obradu. Ipak, membrana ga je uspjela ukloniti i defluorirati, a tokom procesa nastala je 2-propoksipropanska kiselina. Ovaj rezultat pokazuje da se uspješnost tehnologije ne procjenjuje samo prema tome reaguje li neko jedinjenje. Važno je i koliko brzo se reakcija odvija i koliku hemijsku promjenu postiže za svaku pojedinu supstancu.
Istraživači su otpornost GenX-a povezali s nekoliko njegovih osobina: sadrži etersku vezu, slabije se adsorbira na površini paladija nego neka druga jedinjenja, a prosječna energija potrebna za raskidanje njegovih veza između ugljika i fluora veća je. Ako se molekul slabije privlači površini katalizatora, manje ga može biti u blizini mjesta na kojima se odvija reakcija. A ako se njegove veze teže raskidaju, njihova razgradnja postaje dodatno zahtjevna. Ovi faktori pomažu da se objasne razlike među jedinjenjima, ali ne znače da se sve razlike mogu pripisati samo jednom uzroku.
Poređenje jedinjenja s dugim i kratkim lancima, kao i rezultati za GenX, pokazuju da se pri osmišljavanju tretmana mora voditi računa o tome koje se tačno jedinjenje obrađuje. Nije dovoljno sve svrstati pod zajednički naziv PFAS. Hemijska struktura svakog jedinjenja može uticati na to koliko će se čvrsto vezati za membranu i koliko će se lako iz njega ukloniti fluor. Ispitivanje pruža dokaz da ovaj pristup može obraditi šest jedinjenja, ali ne dokazuje da će jednako dobro djelovati na svako od brojnih jedinjenja iz ove široke grupe.
Po čemu se ovaj pristup razlikuje?
Važnost sistema leži u tome što u jednom sistemu objedinjuje hvatanje zagađivača i njihovu hemijsku obradu. Kod mnogih postupaka odvajanja glavni cilj je da se zagađivač ukloni iz vode, ali i dalje ostaje pitanje kako obraditi materijal u kojem je završio. Katalitička membrana nastoji da omogući reakciju na samoj površini na kojoj se zagađivači hvataju, koristeći pritom međudjelovanje paladija, PFAS-a i vodika.
Prema opisu studije, sistem radi u uobičajenim uslovima, što ga razlikuje od rješenja kojima mogu biti potrebni znatno zahtjevniji uslovi rada. Ipak, samo taj podatak nije dovoljan da bi se procijenili troškovi rada ili mogućnost primjene u većem obimu. Za praktičnu upotrebu potrebne su dodatne inženjerske i operativne procjene, koje nisu obuhvaćene prikazanim rezultatima. Ispitivanje koje je trajalo 58 dana predstavlja dužu provjeru u okviru ove studije, ali samo po sebi ne dokazuje da će učinak ostati nepromijenjen u svim vrstama vode ili tokom dužeg perioda.
Studiju je vodio Bruce Rittmann, direktor Swette Center for Environmental Biotechnology pri Biodesign Institute na Arizona State University. U istraživanju su učestvovali i naučnici s Rice University, Tongji University, National University of Singapore i Nanjing University. Rad je objavljen u časopisu Proceedings of the National Academy of Sciences. U njemu je opisan razvoj katalitičkih membrana koje koriste aktivni vodik za hvatanje šest jedinjenja iz grupe PFAS i uklanjanje fluora iz njih.
Od laboratorije do koncentrisanih otpadnih tokova
Istraživači ne predstavljaju membranu kao gotovu zamjenu za sve postojeće tehnologije uklanjanja PFAS. Jedna od mogućih primjena bila bi obrada koncentrisanih otpadnih tokova koji nastaju u nekim postojećim sistemima za prečišćavanje. U takvom slučaju nova tehnologija mogla bi se koristiti za obradu tečnosti ili otpada u kojem su se zagađivači već nakupili, umjesto da se odjednom pokušaju zamijeniti sve faze postojeće obrade.
Međutim, postoji jasna praktična prepreka: paladij je skup. Zato će smanjenje količine potrebnog metala, uz očuvanje sposobnosti membrane da hvata i prerađuje zagađivače, biti važan dio daljeg razvoja. Rezultati dobijeni u eksperimentima sami po sebi nisu dovoljni da pokažu je li tehnologija pogodna za široku primjenu. Potrebno je procijeniti i količinu katalizatora, troškove rada i obrade nastalih proizvoda te utvrditi jesu li ti troškovi prihvatljivi za konkretan način upotrebe.
Istraživači rade i na razvoju hibridnih membrana koje bi spajale paladij s bakterijama sposobnim da razgrađuju zagađivače. To je, međutim, povezani pravac istraživanja, a ne opis sistema ispitanog u ovoj studiji. Membrana koja je dala rezultate tokom 58 dana oslanja se na paladij i vodik, a ne na mikroorganizme. Važno je razlikovati ova dva pristupa kako se rezultatima sadašnjeg ispitivanja ne bi pripisivali sastojci koji u njemu nisu korišteni.
Zaključak
Membrane presvučene paladijem nude pristup obradi PFAS koji objedinjuje izdvajanje jedinjenja iz vode i pokušaj raskidanja njihovih hemijskih veza, umjesto da ih samo koncentriše u drugom otpadu. U ispitivanju šest jedinjenja, među kojima je bio i GenX, tokom 58 dana zabilježeno je uklanjanje do 96% zagađivača i defluoriranje do 83%. Rezultati su se razlikovali prema strukturi jedinjenja: ona s dužim lancima obrađivala su se brže, dok je GenX bio otporniji, ali je nakon obrade nastala 2-propoksipropanska kiselina. Praktična primjena zavisit će, između ostalog, od smanjenja potrebne količine paladija i provjere rada sistema u odgovarajućim uslovima, uključujući obradu koncentrisanih otpadnih tokova. Rezultati su obećavajući, ali još ne predstavljaju gotovo rješenje za sve oblike zagađenja vode jedinjenjima PFAS.