Araştırmacılar kimyasalları sonsuza kadar parçalamak için yöntemler geliştiriyor

Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf’taki (HZDR) araştırmacılar, kimyasal bozunmaya karşı son derece dirençli endüstriyel kimyasallar olan per- ve polifloroalkil maddeleri (PFAS) parçalamak için iki süreç geliştirdiler: hidrodinamik kavitasyon ve gaz dispersiyonu ile birleştirilmiş soğuk atmosferik plazma. Çalışma şu tarihte yayınlandı: Kimya Mühendisliği Dergisi Gelişmeleri Ve Bilimsel Raporlarsırasıyla.

Bu çabayı desteklemek için Helmholtz Çevre Araştırma Merkezi’nden (UFZ) uzmanlar, PFAS bozulmasını ve florür salınımını doğrulayan analizler gerçekleştirdi. Ticari olarak uygulanabilir hale geldikten sonra bu süreçler, PFAS’ın su kütlelerine salınmasını önemli ölçüde azaltmak için endüstride kullanılabilir.

Bazı PFAS’ların genetik materyali değiştirdiğinden ve kanser riskini arttırdığından şüpheleniliyorken, diğerlerinin çoğunun biyolojik etkileri hala bilinmiyor. Bu madde grubu, olağanüstü kimyasal dirençlerini oldukça kararlı karbon-flor bağlarına borçlu olan 10.000’den fazla kısa ve uzun zincirli endüstriyel kimyasaldan oluşur.

PFAS atık su yoluyla nehirlere ve okyanuslara giriyor ve dünya çapında yayılıyor. Son zamanlarda Elbe Nehri’nde de yüksek konsantrasyonlarda PFAS tespit edildi; bu, bitkiler, hayvanlar ve insanlar için potansiyel bir sağlık tehlikesidir.

Almanya’nın içme suyu tedarikini güvence altına almaya ve su kütlelerini korumaya yönelik “Ulusal Su Stratejisi” bağlamında, HZDR’deki araştırmacılar su kütleleri üzerindeki yükün nasıl azaltılacağını ve bu “sonsuza kadar kimyasalların” sistematik olarak nasıl parçalanacağını araştırıyorlar.

2022’de başlatılan bir ön çalışmada, doktora sonrası araştırmacı Dr. Ysabel Huaccallo-Aguilar liderliğindeki bir araştırma ekibi, PFAS’ı düşürmek için hidrodinamik kavitasyon olarak bilinen bir süreç kullandı.

Kavitasyon stabil bağları bozar

HZDR Su ve Çevre Teknolojileri Departmanı başkanı Dr. Sebastian Reinecke, “Hidrodinamik kavitasyonda, PFAS ile zenginleştirilmiş suyu bir daralmadan geçirerek küçük buhar kabarcıkları oluşturuyoruz” diye açıklıyor. Uzun zincirli PFAS yüzey aktif olduğundan kabarcıklara bağlanır.

Reinecke şöyle açıklıyor: “Kabarcıklar, daralmanın aşağısındaki sudaki artan ortam basıncı altında patladığında, kabarcıklara bağlı olan PFAS, birkaç bin santigrat derecelik yerel sıcaklık artışlarına maruz kalıyor.”

Aynı zamanda kavitasyon, yakındaki maddelerle spesifik olmayan şekilde reaksiyona giren oldukça reaktif hidroksil radikalleri üretir. “Hipotezimiz, ara ürünlere saldırarak PFAS bozulmasını önemli ölçüde artırdıkları yönünde.”

Huaccallo-Aguilar ve meslektaşları, sürecin organik olarak bağlı florini mineralleştirirken musluk suyundaki PFAS’ı parçaladığını göstermeyi başardılar. Tedavi ne kadar uzun olursa, çözeltideki florür konsantrasyonundaki artış o kadar fazla olur. Araştırmacılar, deneyleri için PFAS grubundan özellikle kalıcı ve iyi çalışılmış bir bileşik olan perflorooktan sülfonatı (PFOS) kullandılar.

Deneyin sonunda çözünmüş PFOS moleküllerinin yaklaşık %37’sini sabit bir bozunma oranında parçalamayı başardılar. Reinecke, “Şu anda bozunma oranını artırmak için takip deneyleri yürütüyoruz” diye açıklıyor.

“Amacımız, çözeltideki PFAS için %80’den fazla bir bozunma oranına ulaşmak ve kimyasallarda bağlı olan florinin %50’sinden fazlasını mineralize etmek için süreci iyileştirmektir; bu, PFAS’a özgü karbon-flor bağlarının parçalanması anlamına gelir.”

Yüksek derecede reaktif plazma türleriyle verimli PFAS bozunması

Başka bir deney serisinde, çevre mühendisi Dr. Amit Kumar, PFAS’ı düşürmek için soğuk atmosferik plazmayı gaz dispersiyonu ile birlikte kullandı. Bu prosesin avantajı ortam şartlarında çalışması ve ne katalizör ne de ek kimyasallar gerektirmemesidir.

Doktora derecesinde. Kumar, plazmada üretilen reaktif kimyasal türleri kullanarak mikro kirleticileri parçalamanın yollarını zaten araştırmıştı. Şimdi bulgularını bu deneye uyguladı.

Deney düzeneğini açıklayan Reinecke, “PFAS ile kirlenmiş suya aynı anda gaz verirken aynı zamanda su yüzeyinde plazma ürettik” diyor. “PFAS, gaz kabarcıklarının yüzeyine yapışır. Yükseldikçe su sürekli olarak sirküle edilir. Bu, PFAS’ı yüzeye çıkarır ve burada plazmada parçalanır.”

Bu yöntem hem uzun hem de kısa zincirli PFAS’ın neredeyse tamamen parçalanmasını mümkün kıldı. Bu “sonsuza kadar kimyasallar”a bağlanan flor atomlarının yaklaşık %35’i, florür tuzları olarak salındı.

Reinecke, “Bu yöntem, kavitasyona göre önemli ölçüde daha hızlı reaksiyon kinetiğine sahip olsa da, aynı zamanda birim hacim başına çok daha fazla enerji tüketiyor” diye belirtiyor. “Ayrıca süreç, henüz ayrıntılı olarak araştıramadığımız çok sayıda dönüşüm ürünü üretiyor; örneğin reaksiyon sırasında oluşan gazlı bileşikler.”

Araştırmacılar şu anda sürecin sağlık açısından tehlike oluşturabilecek herhangi bir madde üretip üretmediğini ve eğer öyleyse bunlardan nasıl kaçınılacağını öğrenmek için daha ileri testler yürütüyor.

Plazma ve kavitasyonun birleşiminden elde edilen sinerjiler

Araştırmacılar şu anda süreci daha büyük miktarlarda kirlenmiş su için ölçeklendirmek için çalışıyorlar. Çoklu elektrotlar ve teknik bir gaz enjektörü kullanarak reaksiyon hacmini kademeli olarak yaklaşık 50 mililitreden 5 litreye çıkarıyorlar. Plan, plazma teknolojisini kavitasyonla birleştirmektir.

Reinecke, “Plazmadaki yüksek derecede reaktif türleri kavitasyonun etkileriyle birleştirerek yüksek bozunma oranlarına ulaşacağımıza inanıyorum” diyor. Her iki yöntemin faydalarını tek bir yaklaşımda birleştirmeyi başarırlarsa, kirli su için yeni, etkili bir PFAS giderme teknolojisi yaratabilirler.