Солнце против «вечных химикатов»: новый метод обещает очистить нашу воду
Поскольку пер- и полифторалкильные вещества (PFAS) используются повсеместно — от косметики до зубной нити и антипригарных сковородок, — они в изобилии присутствуют в окружающей среде, включая нашу еду, дождь и питьевую воду. Они также очень стойкие, за что получили прозвище «вечные химикаты», и связаны с различными последствиями для здоровья: от рака и токсического поражения печени до снижения фертильности.
Новый метод, описанный в журнале RSC Advances, предлагает удалять PFAS из питьевой воды, комбинируя специальный полимер и фотокатализатор с ресурсом, который даже более распространён, чем PFAS — солнечным светом.
«Идея заключалась в следующем: можем ли мы как-то поймать молекулу и разбить её, скажем, на 20 молекул? И тогда мы получим то, что гораздо легче обнаружить».
Уже существуют различные методы удаления PFAS из воды. Но многие из них используют материалы, которые отфильтровывают или впитывают PFAS, а это означает, что сам материал затем необходимо утилизировать, потому что он наполнен токсинами. А поскольку PFAS часто присутствуют в низких концентрациях (пределы безопасного потребления, установленные Агентством по охране окружающей среды США (EPA), обычно находятся в диапазоне 10 частей на триллион), их так же трудно обнаружить, как и удалить.
При фотокатализе учёные используют свет в сочетании с катализатором, который ускоряет реакцию между светом и молекулами-мишенями, чтобы разделить PFAS на различные компоненты, например, на фторид, который можно обнаружить с помощью коммерческих датчиков.
«Идея заключалась в следующем: можем ли мы как-то поймать молекулу и разбить её, скажем, на 20 молекул, — объясняет Фрэнк Маркен, химик из Университета Бата. — И тогда мы получим то, что гораздо легче обнаружить».
Как поймать PFAS
Учёные изучают фотодеградацию PFAS уже более 20 лет. Но одна из проблем этого процесса — первая часть формулы, упомянутая Маркеном: как вообще «поймать» молекулу PFAS.
«Существуют известные материалы, которые разлагают PFAS, — говорит он. — Но проблема в том, что при низком уровне PFAS вам нужно доставить PFAS к катализатору, чтобы процесс сработал».
Чтобы решить эту задачу, команда обратилась к особому классу материалов, известному как полимеры с внутренней микропористостью (PIMs). PIMs могут растворяться в воде, но их химическая структура обладает замечательной пористостью, что даёт им огромную площадь поверхности. Стандартная площадь поверхности PIM составляет около 700–1000 квадратных метров на грамм.
Ещё одна ключевая особенность PIMs — их жёсткость. Гибкий пористый полимер может привлечь большое количество частиц катализатора, но затем обернётся вокруг них, препятствуя взаимодействию катализатора со светом.
«Если вы поместите что-то внутрь PIM, оно останется полностью активным. По сути, молекулы полимера очень жёсткие; они не могут скручиваться или изгибаться, — говорит Маркен. — Затем мы удерживаем частицу, можем возбудить её светом, и молекулы PFAS приходят и взаимодействуют с катализатором».
Вот и солнце (и светодиодный свет)
Чтобы проверить, может ли PIM ускорить фотокаталитическое разложение PFAS, исследователи провели небольшие лабораторные эксперименты с использованием перфторнонанола (HDFN). HDFN не является PFAS, но служит химически аналогичным заменителем. Каждая молекула HDFN распадается на 17 ионов фторида.
Исследовательская группа направила синий светодиодный свет, по интенсивности близкий к солнечному, на 20 миллилитров раствора, содержащего HDFN и фотокатализатор. В конечном счёте, говорит Маркен, «было бы гораздо дешевле использовать солнечный свет», что могло бы стать возможным при масштабировании технологии, например, для очистки сточных вод.
Когда катализатор разрушал HDFN на молекулы фторида, исследователи могли измерять, как растёт концентрация фтора.
Убедившись, что эта часть эксперимента работает, исследователи ввели полимер: они смешали фотокатализатор с PIM, нанесли смесь на фильтровальную бумагу и высушили. Затем они поместили фильтровальную бумагу в раствор на пути светового луча. Они обнаружили, что использование PIM (особенно типа PIM-1) было более эффективным. Например, в одном из экспериментов иммобилизация катализатора на PIM привела к выходу деградации, который был почти в 3 раза выше, чем при использовании одного катализатора.
«Если у вас есть загрязнённая почва и вы хотите измерить содержание PFAS, вас не обязательно интересует, какие именно молекулы там находятся. Вопросы такие: «Много ли их? Где они? Как они перемещаются?»»
Питер Бадд, химик-полимерщик из Манчестерского университета, который входил в состав дуэта учёных, впервые разработавших PIMs, сказал Eos по электронной почте, что выбор PIM-1 был интуитивно понятным, поскольку его относительно легко производить по сравнению с другими PIMs.
Он добавил, что способность PIMs увеличивать скорость фотодеградации PFAS не была неожиданной, поскольку «хорошо известно, что PIM-1 может эффективно концентрировать множество мелких гидрофобных молекул, что в сочетании с подходящим катализатором может улучшить каталитическую эффективность».
Пути развития и практическое применение
Будущие исследования могут принимать разные формы, говорит Маркен. Команда могла бы работать над улучшением связывания PFAS с PIMs, например, или тестировать методы на новых модельных материалах. Другой вариант — даже несмотря на то, что метод пока не может улавливать нюансы, такие как различия между типами PFAS, — создать проточную систему и испытать её. Нечто подобное, по словам Маркена, могло бы быть полезным для ответа на более фундаментальные, но всё же важные вопросы о PFAS.
«Если у вас есть загрязнённая почва и вы хотите измерить содержание PFAS, вас не обязательно интересует, какие именно молекулы там находятся. Вопросы такие: «Много ли их? Где они? Как они перемещаются?»»
Представьте себе мир, в котором фильтр для воды на вашей кухне не просто задерживает «вечные химикаты», а уничтожает их под действием обычного дневного света. Именно к этому приближаются учёные из Университета Бата.
Почему это так важно? Потому что текущие методы борьбы с PFAS напоминают игру в загрязняющий «горячий картофель». Активированный уголь или ионообменные смолы впитывают токсины, но куда девать сам фильтр? Его приходится закапывать или сжигать, рискуя выпустить PFAS обратно в природу. Фотокатализ же предлагает элегантное решение: не просто поймать, а разорвать крепчайшие углерод-фторидные связи, превратив опасную молекулу в безобидный фторид.
Конечно, технология пока находится на лабораторной стадии. HDFN — это не совсем PFAS, а синий светодиод — не совсем солнце. Исследователям предстоит доказать, что метод так же эффективен против реального «коктейля» из тысяч различных PFAS, которые можно найти в водопроводной воде. Также нужно убедиться, что PIM-фильтры можно масштабировать от лабораторной пробирки до размеров городской водоочистной станции.
Но даже на нынешнем этапе у метода есть важное побочное применение — диагностика загрязнений. Коммерческие датчики фторида дёшевы и широко доступны. Разбивая PFAS до фторида, новая технология позволяет быстро и недорого оценить общий уровень загрязнения: много ли «вечных химикатов» в реке, почве или организме? Это как тест-полоска, которая вместо «сахар» или «кетоны» показывает «есть ли тут PFAS?».
Поэтому, даже если пройдут годы до появления первого солнечного водоочистного сооружения, метод уже готов стать ценным инструментом экологов. Он даёт надежду на то, что прозвище «вечные» для этих химикатов когда-нибудь устареет. Ведь, как показывает история, нет ничего вечного под солнцем — особенно если использовать само солнце как союзника.
