Wetenschappers van de Universiteit van Rochester hebben nieuwe elektrochemische benaderingen ontwikkeld om de vervuiling op te ruimen van ‘forever chemicaliën’ die voorkomen in kleding, voedselverpakkingen, brandbestrijdingsschuim en een breed scala aan andere producten. Een nieuw Journal of Catalysis studie beschrijft nanokatalysatoren die zijn ontwikkeld om per- en polyfluoralkylstoffen, bekend als PFAS, te saneren.

De onderzoekers, onder leiding van assistent-professor in de chemische technologie Astrid Müller, concentreerden zich op een specifiek type PFAS genaamd Perfluoroctaansulfonaat (PFOS), dat ooit veel werd gebruikt voor vlekbestendige producten, maar nu in een groot deel van de wereld verboden is vanwege de schadelijke effecten op de huid. gezondheid van mens en dier. PFOS is nog steeds wijdverspreid en persistent in het milieu, ondanks dat het begin jaren 2000 door Amerikaanse fabrikanten werd uitgefaseerd en nog steeds opduikt in de watervoorziening.

Müller en haar team van materiaalwetenschap Ph.D. studenten creëerden de nanokatalysatoren met behulp van haar unieke combinatie van expertise op het gebied van ultrasnelle lasers, materiaalkunde, scheikunde en chemische technologie.

"Met behulp van gepulseerde laser bij vloeistofsynthese kunnen we de oppervlaktechemie van deze katalysatoren controleren op manieren die niet mogelijk zijn met traditionele natte chemiemethoden", zegt Müller. "Je kunt de grootte van de resulterende nanodeeltjes controleren door de interactie tussen licht en materie, waardoor ze feitelijk uit elkaar worden geblazen."

De wetenschappers plakken de nanodeeltjes vervolgens op carbonpapier dat hydrofiel is. Dat levert een goedkoop substraat op met een groot oppervlak. Met behulp van lithiumhydroxide in hoge concentraties hebben ze de PFOS-chemicaliën volledig gedefluoreerd.

Müller zegt dat ze, om het proces op grote schaal te laten werken, minstens een kubieke meter per keer moeten behandelen. Cruciaal is dat hun nieuwe aanpak gebruik maakt van alle niet-edelmetalen, in tegenstelling tot bestaande methoden waarbij met boor gedoteerde diamanten nodig zijn. Volgens hun berekeningen zou het behandelen van een kubieke meter vervuild water met met boor gedoteerde diamant 8,5 miljoen dollar kosten; de nieuwe methode is bijna 100 keer goedkoper.

PFAS-chemicaliën op duurzame wijze benutten

In toekomstige studies hoopt Müller te begrijpen waarom lithiumhydroxide zo goed werkt en of zelfs goedkopere, overvloedigere materialen kunnen worden vervangen om de kosten verder omlaag te brengen. Ze wil de methode ook toepassen op een reeks PFAS-chemicaliën die nog steeds veel worden gebruikt, maar die in verband zijn gebracht met gezondheidsproblemen, variërend van de ontwikkeling bij baby's tot nierkanker.

Müller zegt dat ondanks de problemen het volledig verbieden van alle PFAS-chemicaliën en stoffen niet praktisch is vanwege hun nut, niet alleen in consumentenproducten maar ook in groene technologieën.

"Ik zou willen betogen dat veel inspanningen om de CO2-uitstoot koolstofarm te maken – van geothermische warmtepompen tot efficiënte koeling tot zonnecellen – uiteindelijk afhankelijk zijn van de beschikbaarheid van PFAS", zegt Müller. "Ik geloof dat het mogelijk is om PFAS op een circulaire, duurzame manier te gebruiken als we elektrokatalytische oplossingen kunnen gebruiken om fluorkoolstofbindingen te verbreken en het fluoride veilig terug naar buiten te krijgen zonder dat het in het milieu terechtkomt."

Hoewel de commercialisering nog ver weg is, heeft Müller met steun van URVentures een patent aangevraagd en verwacht dat het zal worden gebruikt in afvalwaterzuiveringsinstallaties en door bedrijven om vervuilde locaties schoon te maken waar ze vroeger deze PFAS-chemicaliën produceerden. Ze noemt het ook een kwestie van sociale rechtvaardigheid.

"Vaak is er in gebieden met lagere inkomens over de hele wereld meer vervuiling", zegt Müller. "Een voordeel van een elektrokatalytische aanpak is dat je deze op een gedistribueerde manier kunt gebruiken met een kleine footprint en gebruik kunt maken van elektriciteit uit zonnepanelen."

Meer informatie: Ziyi Meng et al., Volledige elektrokatalytische defluorering van perfluoroctaansulfonaat in waterige oplossing met niet-edele materialen, Journal of Catalysis (2024). DOI:10.1016/j.jcat.2024.115403

Aangeboden door Universiteit van Rochester