Onderzoekers van de Drexel University hebben een manier gevonden om hardnekkige, veerkrachtige giftige stoffen te vernietigen. onheilspellend genaamd "forever chemicaliën, " die het drinkwater van miljoenen mensen in de Verenigde Staten hebben verontreinigd.

Deze chemicaliën, gewoonlijk PFAS genoemd - een verkorting van per- en polyfluoralkylstoffen, werden al zo'n 60 jaar gebruikt als coatings voor pannen met antiaanbaklaag en waterdichte kleding en in blusschuim. In de afgelopen twee decennia hebben zorgen over gezondheidsrisico's die samenhangen met blootstelling aan PFAS - van kanker en schildklierproblemen tot een laag geboortegewicht en hoge bloeddruk - geleid tot federale verboden, monitoringmandaten en massale herstelinspanningen.

Maar het is bijna onmogelijk gebleken om deze chemicaliën - oorspronkelijk ontworpen om bestand te zijn tegen hoge temperaturen van door brandstof aangedreven branden - uit drinkwater te verwijderen.

"De chemische koolstof-fluoride bindingen in PFAS-verbindingen zijn extreem stabiel, dus het is onmogelijk om deze verbindingen af ​​te breken met standaard behandelingsmethoden, " zei Christopher Sales, doctoraat, een universitair hoofddocent milieutechniek bij Drexel die de afbraak van milieuverontreinigende stoffen bestudeert.

Sales maakt deel uit van een team van Drexel's College of Engineering en het C. &J. Nyheim Plasma Institute, dat onderzoekt hoe een explosie van geladen gas, koud plasma genoemd, kan worden gebruikt om PFAS uit water te verwijderen. Zijn groep publiceerde onlangs zijn onderzoek in het tijdschrift Milieuwetenschappen:wateronderzoek en -technologie .

"Dit is een urgent probleem geworden omdat we PFAS overal zien opduiken, niet alleen in het water en de bodem bij luchthavens die het in blusschuim gebruikten, maar ook in veel consumptiegoederen zoals vlekbestendige stoffen en voedselverpakkingen die zijn ontworpen om vloeistoffen en vet af te stoten", aldus Sales. "Omdat deze chemicaliën niet gemakkelijk biologisch afbreekbaar zijn, PFAS loogt uit in grond- en oppervlaktewater van producten die al tientallen jaren op stortplaatsen liggen."

Hoewel precieze blootstellingsroutes nog niet zijn vastgesteld, studies suggereren dat PFAS is gedetecteerd in de bloedbaan van maar liefst 98 procent van de Amerikaanse bevolking door een combinatie van directe blootstelling, drinkwaterverontreiniging en bioaccumulatie.

Het ministerie van Defensie besteedt momenteel miljarden dollars aan het opruimen van vervuilde bodemwatervoorraden rond honderden militaire bases waar PFAS-blusschuim was gebruikt. Maar de beste inspanningen zijn slechts een noodoplossing, volgens Verkoop.

"De huidige standaard voor het omgaan met PFAS-verontreinigd water zijn actieve koolfilters, " zei Sales. "Maar het probleem met filtratie is dat het alleen de PFAS verzamelt, maar het niet vernietigt. Dus, tenzij de filters bij hoge temperaturen worden verbrand, de gebruikte filters worden een nieuwe bron van PFAS die via de afvoer en kwel terug in het milieu terecht kan komen."

Om de chemische behandeling echt te elimineren, moet de koolstof-fluoride-binding uit elkaar worden gehaald die essentieel is voor het uithoudingsvermogen van de verbinding. Verschillende soorten PFAS, die nu in de duizenden lopen, bestaan ​​uit koolstof-fluorideketens van verschillende lengte. Het primaire doel van de voorgestelde decontaminatiemethoden is om de ketting in kleinere stukken te breken om deze inert te maken. een secundaire, en uitdagender doel, verwijdert de fluoride-atomen volledig uit de verbindingen - een prestatie die defluorering wordt genoemd.

Een manier om PFAS uit water te verwijderen, is door de temperatuur te verhogen, waardoor de activiteit van de atomen voldoende wordt verhoogd om de koolstof-fluoridebinding tot het breekpunt te rekken. Helaas, er is veel meer nodig dan koken om van PFAS af te komen, volgens Verkoop.

"Om de extreem stabiele binding tussen koolstof en fluoride in PFAS te verbreken, je moet de temperatuur van de verbindingen verhogen tot ten minste 1, 000 Celsius - dus 10 keer de temperatuur van kokend water, "Sales zei. "Maar dat is duidelijk niet haalbaar voor waterbehandelingsoperaties, vanwege de enorme hoeveelheid energie die het zou verbruiken."

Het Drexel-team stelt het gebruik van hoog energetisch gas voor, of plasma, als een manier om de PFAS-atomen te activeren zonder het water te verwarmen.

In niet-evenwicht, of "koud" plasma, een elektromagnetisch veld wordt gebruikt om de elektronen in een gas te exciteren zonder de algehele temperatuur te verhogen. In een algemeen voorbeeld van koud plasma, een fluorescerend licht, elektronen worden geëxciteerd tot het punt waarop ze zichtbaar licht uitzenden terwijl het gas zelf op kamertemperatuur blijft.

Onderzoekers van het Nyheim Plasma Institute gebruiken niet-evenwichtsplasmatechnologie voor decontaminatie en sterilisatie van producten en vlees en in instellingen voor de gezondheidszorg.

Loslaten op PFAS is het chemische equivalent van het gebruik van een blender om een ​​smoothie te maken.

Eerst, een apparaat genaamd een glijdende boog plasmatron creëert een roterend elektromagnetisch veld dat elektronen van gasbellen in het water activeert. De hoogenergetische elektronen splitsen chemische soorten in het water en beginnen ultraviolette straling uit te zenden. uiteindelijk, de draaiende draaikolk van atomen, ionen en straling bereiken een activiteitsniveau dat hoog genoeg is om de koolstof-fluoridebinding in de PFAS-verbindingen te verbreken - en dat allemaal zonder de temperatuur van het water te verhogen.

In slechts een uur behandeling, die iets meer energie verbruikt dan nodig is om een ​​waterkoker aan de kook te brengen, de plasmabehandeling met glijdende boog kan meer dan 90 procent van PFAS uit het water verwijderen en ongeveer een kwart van de verbindingen defluoreren, volgens de recent gepubliceerde studie van de groep.

"Dit is slechts één voorbeeld van hoe effectief en energie-efficiënt koude plasmatechnologie kan worden gebruikt om moeilijke chemische verontreinigingsproblemen aan te pakken, " zei Alexander Fridman, doctoraat, directeur van het Nyheim Plasma Instituut. "Koud plasma heeft het potentieel om ons te helpen een verscheidenheid aan chemische gifstoffen te elimineren die onze voedsel- en drinkwatervoorziening bedreigen."

Hoewel plasmabehandelingsmethoden voor PFAS-verwijdering zijn getest door andere groepen, tot dusver leent geen van hen zich om gemakkelijk op te schalen voor gebruik in grote behandelingsfaciliteiten, volgens de Drexel-onderzoekers.

"Nu we de effectiviteit van koudplasmawaterbehandeling hebben bewezen, is onze volgende stap om het op grotere schaal te blijven testen. " Zei Fridman. "We geloven ook dat de technologie kan worden aangepast om verontreinigde grond te behandelen en om bijna volledige defluorering van PFAS-verbindingen te bereiken."