Perfluoralkyl- en polyfluoralkylstoffen, oftewel PFAShebben de bijnaam verdiend voor altijd chemicaliën vanwege hun buitengewone vermogen om lang nadat ze zijn gebruikt in de omgeving te blijven bestaan.
Deze synthetische verbindingen, die vanwege hun water- en vetbestendige eigenschappen vaak worden gebruikt in consumentenproducten en industriële toepassingen, zijn nu vrijwel overal te vinden in het milieu.
Terwijl veel chemicaliën zullen worden afgebroken relatief snel nadat ze zijn weggegooid, PFAS kan blijven hangen voor maximaal 1000 jaar. Deze duurzaamheid is geweldig voor gebruik in brandbestrijdingsschuim, kookgerei met anti-aanbaklaag, waterdichte kleding en zelfs voedselverpakkingen.
Hun veerkracht betekent echter dat ze blijven bestaan in de bodem, het water en zelfs in levende organismen. Ze kunnen zich in de loop van de tijd ophopen invloed hebben op de gezondheid van zowel ecosystemen als mensen.
Sommige eerste onderzoeken hebben potentiële verbanden aangetoond tussen blootstelling aan PFAS en verschillende gezondheidsproblemen – inclusief kanker, onderdrukking van het immuunsysteem en hormoonverstoring. Deze zorgen hebben wetenschappers ertoe aangezet om naar te zoeken effectieve manieren om af te breken deze hardnekkige chemicaliën.
Wij zijn een team van onderzoekers die een chemisch systeem hebben ontwikkeld dat licht gebruikt om bindingen tussen koolstof- en fluoratomen af te breken. Deze sterke chemische bindingen helpen PFAS de afbraak te weerstaan. Wij publiceerde dit werk in Nature in november 2024, en we hopen dat deze techniek kan helpen de wijdverbreide besmetting die deze stoffen veroorzaken, aan te pakken.
Waarom PFAS-verbindingen zo moeilijk af te breken zijn
PFAS-verbindingen hebben koolstof-fluorbindingen, die een van de sterkste in de chemie zijn. Deze obligaties maken PFAS ongelooflijk stabiel. Ze zijn bestand tegen de afbraakprocessen die gewoonlijk industriële chemicaliën afbreken – inclusief hydrolyse, oxidatie en microbiële afbraak.
Conventionele waterbehandelingsmethoden kan PFAS uit water verwijderenmaar deze processen concentreren de verontreinigingen alleen maar in plaats van ze te vernietigen. De resulterende met PFAS beladen materialen worden doorgaans naar stortplaatsen gestuurd. Eenmaal verwijderd, kunnen ze nog steeds terug in het milieu terechtkomen.
De huidige methoden voor het verbreken van koolstof-fluorverbindingen zijn afhankelijk van het gebruik van metalen en zeer hoge temperaturen. Bijvoorbeeld, platina metaal kan voor dit doel worden gebruikt. Deze afhankelijkheid maakt deze methoden duur, energie-intensief en uitdagend om op grote schaal te gebruiken.
Hoe ons nieuwe fotokatalytische systeem werkt
De nieuwe methode die ons team heeft ontwikkeld, maakt gebruik van een puur organische fotokatalysator. Een fotokatalysator is een stof die met behulp van licht een chemische reactie versnelt, zonder dat deze daarbij wordt verbruikt. Ons systeem maakt gebruik van energie uit goedkope blauwe LED’s om een reeks chemische reacties aan te sturen.
Na het absorberen van licht, de fotokatalysator brengt elektronen over aan de moleculen die fluor bevatten, waardoor de stevige koolstof-fluorbindingen worden afgebroken.
Door de moleculaire structuur van PFAS rechtstreeks te targeten en te ontmantelen, bieden fotokatalytische systemen zoals de onze het potentieel voor volledige mineralisatie. Volledige mineralisatie is een proces dat deze schadelijke chemicaliën omzet in onschadelijke eindproducten, zoals koolwaterstoffen en fluoride-ionen, die gemakkelijk in het milieu worden afgebroken. De afgebroken producten kunnen vervolgens veilig door planten worden geresorbeerd.
Kunnen we eenvoudiger en schaalbaardere PFAS-zuiveringsinstallaties bouwen?
MediaNews Group/Orange County Registreer u via Getty Images/MediaNews Group/Getty Images
Potentiële toepassingen en voordelen
Een van de meest veelbelovende aspecten van dit nieuwe fotokatalytische systeem is de eenvoud ervan. De opstelling is in wezen een klein flesje dat wordt verlicht door twee LED’s, waaraan twee kleine ventilatoren zijn toegevoegd om het tijdens het proces koel te houden. Het werkt onder milde omstandigheden en gebruikt geen metalen vaak gevaarlijk te hanteren en kan soms explosief zijn.
De afhankelijkheid van het systeem van licht – een direct beschikbare en hernieuwbare energiebron – zou het economisch levensvatbaar en duurzaam kunnen maken. Terwijl we het verfijnen, hopen we dat het op een dag kan werken met een minimale energie-input, afgezien van de energie die het licht aandrijft.
Dit platform kan ook andere organische moleculen die koolstof-fluorverbindingen bevatten, omzetten in waardevolle chemicaliën. Duizenden bijvoorbeeld fluorarenen zijn algemeen verkrijgbaar als industriële chemicaliën en laboratoriumreagentia. Deze kunnen worden omgezet in bouwstenen voor het maken van allerlei andere materialen, waaronder medicijnen en alledaagse producten.
Uitdagingen en toekomstige richtingen
Hoewel dit nieuwe systeem potentieel laat zien, blijven er uitdagingen bestaan. Momenteel kunnen we PFAS slechts op kleine schaal afbreken. Hoewel onze experimentele opzet effectief is, zal er aanzienlijke schaalvergroting nodig zijn om het PFAS-probleem op een groter niveau aan te pakken. Bovendien lossen grote moleculen met honderden koolstof-fluorbindingen, zoals Teflon, niet op in het oplosmiddel dat we voor deze reacties gebruiken, zelfs niet bij hoge temperaturen.
Als gevolg hiervan kan het systeem deze materialen momenteel niet afbreken en moeten we meer onderzoek doen.
Ook willen we de stabiliteit van deze katalysatoren op lange termijn verbeteren. Op dit moment gaan deze organische fotokatalysatoren in de loop van de tijd achteruit, vooral als ze onder constante LED-verlichting staan. Het ontwerpen van katalysatoren die hun efficiëntie op de lange termijn behouden, zal dus essentieel zijn voor praktisch, grootschalig gebruik. Het ontwikkelen van methoden om deze katalysatoren te regenereren of recyclen zonder prestatieverlies zal ook van cruciaal belang zijn voor het opschalen van deze technologie.
Met onze collega’s van de Centrum voor Duurzame Fotoredoxkatalysezijn we van plan om te blijven werken aan lichtgestuurde katalyse, met als doel meer lichtgestuurde reacties te ontdekken praktische problemen oplossen. SuPRCat is een Nationale Wetenschapsstichting-gefinancierd non-profit Centrum voor Chemische Innovatie. De teams daar werken aan het ontwikkelen van reacties voor een duurzamere chemische productie.
Het uiteindelijke doel is om een systeem te creëren dat PFAS-verontreinigingen uit drinkwater bij zuiveringsinstallaties kan verwijderen, maar dat is nog ver weg. We willen deze technologie op een dag ook graag gebruiken om met PFAS verontreinigde bodems schoon te maken, waardoor ze veilig worden voor de landbouw en hun rol in het milieu wordt hersteld.
Dit artikel is oorspronkelijk gepubliceerd op Het gesprek door Arindam Sau aan de Universiteit van Colorado Boulder en Mihai Popescu en Xin Liu aan de Colorado State University. Lees de origineel artikel hier.
