Het gebruik van kookgerei met anti-aanbaklaag om je spek en eieren te bakken kan je leven op dat moment gemakkelijker maken, maar wetenschappers denken dat dit gevolgen op de lange termijn kan hebben, omdat de chemicaliën die worden gebruikt om het anti-aanbaklaag te maken zo moeilijk te vernietigen zijn. Perfluoralkyl- en polyfluoralkylstoffen, beter bekend als PFAS en vaak forever chemicaliën genoemd, zijn overal aanwezig.

PFAS, een reeks van duizenden chemicaliën die al sinds de jaren vijftig bestaan, worden voor een grote verscheidenheid aan dingen gebruikt, van de vlekbescherming op sommige van uw kleding en beddengoed tot de voedselverpakkingen op uw hamburgers.

Het probleem is dat natuurlijke processen niet effectief zijn in het afbreken van PFAS, waardoor ze zich ophopen in het milieu en het lichaam, net zoals piepschuim dat doet op een stortplaats. Deskundigen uit de wetenschap en de industrie zoeken naar manieren om PFAS-besmetting in de toekomst te voorkomen, maar ze willen ook verminderen wat er nu al in de wereld bestaat.

Het blijkt dat hoogenergetische elektronenbundels uitstekende kandidaten zijn voor het vernietigen van PFAS in het milieu. Onderzoekers van het Fermi National Accelerator Laboratory van het Amerikaanse ministerie van Energie hebben, in samenwerking met 3M, met succes aangetoond dat een elektronenstraal de twee meest voorkomende soorten PFAS in water kan vernietigen:PFOA en PFOS.

"De elektronenbundel is een veelbelovende technologie om PFAS af te breken in grote hoeveelheden water die hoge concentraties PFAS bevatten", zegt Charlie Cooper, hoofdonderzoeker van Fermilab.

Het Fermilab-team, waaronder wetenschapper Slavica Grdanovska, technisch natuurkundige Yichen Ji en Cooper, gebruikte voor hun tests een elektronenbundelversneller in het laboratorium. De Accelerator Application Development and Demonstration accelerator, of A2D2, wordt gebruikt voor proof-of-concept-testen in het Illinois Accelerator Research Center op de campus van Fermilab en is ook beschikbaar voor de industrie, universiteiten en andere federale laboratoria als onderzoeksinstrument.

"Het feit dat we samenwerkten met 3M, een wereldexpert op het gebied van PFAS, was echt de eerste keer dat je de experts op het gebied van ioniserende straling, elektronenbundelversnellers en PFAS aan hetzelfde project liet werken", aldus Cooper.

Elektronenstralen schieten te hulp

Conventionele waterbehandelingsmethoden, zoals omgekeerde osmose, korrelvormige actieve kool of ionenuitwisselingshars, vernietigen PFAS niet; ze concentreren PFAS eenvoudigweg in een vorm die vervolgens behandeling of verwijdering vereist. In sommige gevallen kunnen conventionele waterbehandelingstechnieken de milieuverontreiniging zelfs verergeren.

Daarentegen vernietigt de elektronenstraal actief de forever-chemicaliën en doet dit snel, waardoor een groter volume water in dezelfde tijd kan worden behandeld als bij sommige andere methoden. PFAS-moleculen zijn moeilijk af te breken omdat ze een koolstof-fluorbinding bevatten, die erg sterk is en de reden waarom PFAS vaak worden gebruikt in de chemische productie-industrie. Maar de kracht van die CF-binding is ook de reden dat ze in de natuur niet afbreken. De elektronenbundel is echter zeer effectief in het verbreken van de CF-binding.

Elektronenbundels kunnen worden gebruikt bij 'pump-and-treat'-methoden, een gebruikelijke aanpak voor grondwaterbehandeling, of in een productiefaciliteit, waarbij afvalstromen rechtstreeks worden behandeld voordat ze de fabriek verlaten.

De effectiviteit ervan aantonen

Het Fermilab-team gebruikte door 3M geleverde met PFAS verontreinigde watermonsters die waren afgesloten in gasdichte containers ter grootte van een whiteboardmarker. Elk van de containers was gemaakt van borosilicaatglas, dat niet significant zou worden beïnvloed door blootstelling aan elektronenstralen, en er werd een aluminium afdichting op het glas gekrompen met een stuk PFAS-vrij rubber tussen het aluminium en het glas. Er werd grote zorg besteed om ervoor te zorgen dat er geen PFAS aanwezig was in de materialen die werden gebruikt om de monsters te huisvesten. Fermilab bestraalde deze monsters met de elektronenbundel en stuurde ze terug naar 3M.

3M bemonsterde zowel de kopruimte (de lucht aan de bovenkant van de container) als de vloeistof om te verifiëren dat de betreffende PFAS waren vernietigd zonder dat er gevaarlijke producten in de lucht vrijkwamen.

PFAS komen in veel industrieën voor, evenals de menselijke afhankelijkheid van essentiële producten die PFAS bevatten, zoals computers en lithium-ionbatterijen. Een van de meest problematische PFAS-bevattende producten in termen van milieuvervuiling is historisch gezien waterig filmvormend schuim, of AFFF, dat werd gebruikt voor brandbestrijding op luchthavens en in het leger; het is gemaakt van PFOA en PFOS.

Wanneer u AFFF op een vloeistof spuit, beweegt deze naar het oppervlak en dooft de brand door te voorkomen dat er zuurstof bij komt. Maar bij gebruik kan het in de bodem en het grondwater sijpelen. AFFF wordt al tientallen jaren in de Verenigde Staten en wereldwijd gebruikt, grotendeels door de militaire en luchtvaartindustrie. Onlangs zijn zowel de overheid als het bedrijfsleven begonnen met het onderzoeken van PFAS-vrije vervangers. Alternatieven bestaan ​​echter in veel toepassingen niet en zijn moeilijk te vinden of presteren minder effectief.

Hoewel elektronenbundels zeer effectief zijn in het afbreken van hele reeksen PFAS-verbindingen, is tot nu toe niet elke verbinding getest. De onderzoekers ontdekten dat alle PFAS-verbindingen die de Amerikaanse Environmental Protection Agency momenteel overweegt te reguleren in drinkwater, effectief werden vernietigd door elektronenbundeltechnologie. Maar er kunnen soorten PFAS zijn die een elektronenbundel niet kan vernietigen.

Er wordt op verschillende fronten onderzoek gedaan naar alternatieven voor PFAS. Tegelijkertijd zullen leiders in de wetenschap en de industrie doorgaan met het zoeken naar en verbeteren van methoden om deze chemicaliën voor altijd in het milieu uit te roeien. Fermilab en zijn elektronenbundeltechnologie lopen voorop in dit onderzoek.

Geleverd door Fermi National Accelerator Laboratory