科學家發現了兩種永久銷毀化學物質的強大新方法

第一種方法是使用水動力空化，它會在污水中產生微小的蒸氣泡並使其破裂。第二種結合了冷大氣等離子體和氣體擴散。亥姆霍茲環境研究中心 (UFZ) 的專家進行的分析證實，PFAS 分子正在被降解，並且在處理過程中釋放出氟化物。

一旦該技術發展到足以用於商業用途，它可以幫助工業在污染廢水到達河流、湖泊和海洋之前進行處理。

為什麼 PFAS 如此難以銷毀？

一些 PFAS 被懷疑會損害遺傳物質並增加癌症的風險，儘管該組中許多化合物的生物效應仍知之甚少。超過 10,000 種短鏈和長鏈工業化學品被歸類為 PFAS。

它們獨特的耐用性來自於極其穩定的碳氟鍵，這是有機化學中發現的最強的鍵之一。這種抵抗力為 PFAS 贏得了「永遠的化學物質」的綽號。

PFAS 可經由廢水進入河流和海洋，目前已廣泛分佈於世界各地。研究人員最近還在易北河中檢測到高濃度，這可能對植物、動物和人類的健康構成風險。

作為旨在保護水資源和確保國家飲用水供應的德國「國家水戰略」的一部分，HZDR 科學家正在研究減少 PFAS 污染的方法，並透過簡單地移除或重新安置這些化學物質來系統地銷毀它們。

由 Ysabel Huacallo-Aguilar 博士領導的一項初步研究於 2022 年啟動。他的團隊研究了水力空化是否可以降解水中的 PFAS。

破裂的氣泡創造了極端的條件

「在水動力空化過程中，我們讓富含 PFAS 的水通過收縮處，產生小蒸汽泡，」HZDR 水與環境技術部主任 Sebastian Reinecke 博士解釋道。

長鏈 PFAS 物質可作為表面活性劑，導致它們聚集在氣泡中。當水流過收縮部分時，壓力升高，氣泡劇烈破裂。

Reinecke 解釋說：“當氣泡因收縮處以下水中的大氣壓力而破裂時，與氣泡結合的 PFAS 就會暴露在數千攝氏度的局部溫度峰值中。”

空化也會產生高反應性的羥基自由基。這些分子很容易與反應良好的物質發生反應，有助於破壞 PFAS 分解早期形成的化合物。

“我們的假設是它們會攻擊中間產物，從而顯著增加 PFAS 的降解。”

Huaccallo-Aguilar 和她的同事證明，空化可以透過礦化有機結合氟來降解自來水中的 PFAS。隨著處理的繼續，水中測得的氟化物含量穩步增加，表明氟化物正在從原始 PFAS 分子中分離出來。

實驗的重點是全氟辛烷磺酸 (PFOS)，它是 PFAS 家族中經過充分研究且持久性極高的成員。測試結束時，該過程降解了約 37% 的溶解 PFOS 分子，同時保持穩定的分解速率。

「我們現在正在進行後續實驗以提高降解率，」賴內克解釋。 “我們的目標是改進工藝，使溶液中 PFAS 的降解率超過 80%，並礦化化學物質中 50% 以上的氟，這意味著通過破壞 PFAS 中常見的碳-氟鍵。”

冷等離子快速攻擊 PFAS

在一組單獨的實驗中，環境工程師 Amit Kumar 使用冷大氣等離子體和氣體分散相結合來破壞 PFAS。

該方法在正常環境條件下工作，不需要催化劑或額外的化學物質。在他的博士研究期間，庫馬爾研究了等離子體產生的活性化學物質如何分解微污染物。他將這些發現應用於 PFAS 實驗。

「我們在將氣體注入受 PFAS 污染的水中時，在水面上產生了等離子體，」Sebastian Reinecke 解釋了實驗裝置。 “PFAS 粘附在氣泡表面。當氣泡上升時，水會不斷循環。這會將 PFAS 帶到表面，在等離子體中分解。”

等離子體處理幾乎完全降解了長鏈和短鏈 PFAS。它釋放了最初結合在化學物質中的約 35% 的氟原子，將它們轉化為氟化物鹽。

結果比空化法更快，但此方法也有重要的缺點。

「雖然這種方法的反應動力學比空化快得多，但它每單位體積消耗的能量要多得多，」賴內克說。 “此外，該過程產生了許多我們尚未能夠詳細研究的轉化產物，例如反應過程中形成的氣態化合物。”

正在進行更多實驗以確定這些轉化產品是否可能帶來健康風險。研究人員也希望找到防止潛在危險物質產生的方法。

空化與等離子體的結合

團隊正在改造等離子系統來處理大量的污染水。使用多個電極和技術氣體注射器，研究人員將反應體積從大約 50 毫升增加到 5 公升。

他們的長期目標是將等離子體處理與水動力空化結合，將兩種技術的優勢整合到一個系統中。

「我認為，透過將空化效應與等離子體中的高反應性物質相結合，我們將實現高降解率，」賴內克說。

如果成功，這種綜合方法可能會帶來新的、更有效的技術，在化學物質釋放到環境中之前銷毀受污染水中的 PFAS。

這項研究由亥姆霍茲協會的衝動和網路基金透過清潔水技術實驗室 (CLEWATEC) 亥姆霍茲創新實驗室資助，參考編號為 HIL-A02。 「HyKaPro SAB-EFRE」和「Plasma4PFAS SAB-EFRE」計畫由歐盟共同資助，並與薩克森州議會在其國家預算中批准的稅收一起提供資金。