Naukowcy stworzyli jednoetapowe urządzenie wykorzystujące elektrodializę redoks i elektrosorpcję do wychwytywania i niszczenia różnorodnych substancji chemicznych PFAS, mając na celu rozwiązanie problemu zanieczyszczenia wody i ścieków przemysłowych.
Badanie przeprowadzone na Uniwersytecie Illinois Urbana-Champaign jako pierwsze wprowadza metodę elektrochemiczną zdolną do wychwytywania, koncentracji i niszczenia różnorodnych substancji chemicznych PFAS – w tym coraz powszechniejszego PFAS o ultrakrótkim łańcuchu – w wodzie, a wszystko to w jednym procesie. Ten przełom daje nadzieję na uporanie się z rosnącym wyzwaniem przemysłowym, jakim jest zanieczyszczenie PFAS, szczególnie w produkcji półprzewodników.
Poprzednie badanie U. I wykazali, że krótko- i długołańcuchowe PFAS można usunąć z wody za pomocą adsorpcji napędzanej elektrochemicznie, zwanej elektrosorpcją, ale metoda ta jest nieskuteczna w przypadku cząsteczek o ultrakrótkich łańcuchach ze względu na ich mały rozmiar i różne właściwości chemiczne. Nowe badanie, prowadzone przez profesora inżynierii chemicznej i biomolekularnej z Illinois, Xiao Su, łączy w jednym urządzeniu technologię filtracji odsalania, zwaną elektrodializą redoks, z elektrosorpcją, aby rozwiązać problemy związane z przechwytywaniem pełnego spektrum wielkości PFAS.
Wyniki badania zostały opublikowane w czasopiśmie Komunikacja przyrodnicza.
Dlaczego elektrodializa Redox?
„Zdecydowaliśmy się na elektrodializę redoks, ponieważ bardzo krótkołańcuchowe PFAS zachowują się bardzo podobnie do jonów soli w wodzie” – powiedział Su. „Wyzwanie polegało na stworzeniu wydajnego i skutecznego systemu elektrodializy do wychwytywania ultrakrótkołańcuchowych PFAS, współdziałania go z procesem elektrosorpcji długołańcuchowych PFAS, zniszczenia ich poprzez utlenianie elektrochemiczne i umożliwienie zajścia tego w ciągu jedno urządzenie.”
Zespół Su zademonstrował już wcześniej wysoce wydajne urządzenia do elektrodializy, które usuwają różne zanieczyszczenia inne niż PFAS. Jednakże proces ten wymaga membran jonowymiennych, które są drogie i szybko zanieczyszczane cząsteczkami PFAS.
Aby usunąć przeszkodę związaną z membraną, zespół Su wprowadził niedrogą membranę nanofiltracyjną, która umożliwia usuwanie PFAS za pomocą pola elektrycznego bez jego zanieczyszczania. Na tej technologii opiera się wcześniejsze zaliczki wykonane przez ich grupę w wyniku połączenia polimerów redoks z tymi membranami nanofiltracyjnymi, aby umożliwić energooszczędne odsalanie.
Optymalizacja konfiguracji urządzenia
W przypadku usuwania PFAS posiadanie odpowiedniego materiału to jedno, ale znalezienie najbardziej efektywnej konfiguracji samo w sobie jest poważnym wyzwaniem.
„Po eksperymentach z różnymi konfiguracjami urządzeń ostatecznie zdecydowaliśmy się na system, który odsala wodę zanieczyszczoną PFAS w celu usunięcia cząsteczek o ultrakrótkich łańcuchach, a następnie jednocześnie elektrody węglowe usuwają pozostałe cząsteczki o krótkich i długich łańcuchach molekuły” – powiedział Su. „Ten proces koncentruje również wszystkie PFAS, dzięki czemu łatwiej je zniszczyć po schwytaniu”.
Wreszcie, proces elektrochemicznego utleniania nieodłącznie związany z elektrodializą redoks niszczy wychwycone PFAS, przekształcając je w jony fluorkowe, co jest kluczowym krokiem w kierunku wyeliminowania tych trwałych zanieczyszczeń ze środowiska.
Su powiedział, że zespół jest podekscytowany perspektywą zwiększenia skali procesu, aby móc przenieść go z laboratorium do zastosowań terenowych, nie tylko w celu zajęcia się zastosowaniami w ściekach, ale także włączenia systemu na miejscu do strumieni ścieków przemysłowych.
„Prace te podejmowane są w odpowiednim czasie ze względu na zainteresowanie rządu USA, oczyszczalni ścieków i przemysłu półprzewodników” – powiedział Su. „Oczekuje się, że w nadchodzących latach produkcja półprzewodników wzrośnie, a redukcja PFAS na rzecz zrównoważonej produkcji stanie się w przyszłości głównym problemem”.
Odniesienie: „Integracja elektrodializy redoks i elektrosorpcji w celu usunięcia ultrakrótkich i długich łańcuchów PFAS” autorstwa Nayeong Kim, Johannesa Elberta, Ekateriny Shchukina i Xiao Su, 27 września 2024 r., Komunikacja przyrodnicza.
DOI: 10.1038/s41467-024-52630-w
Wkład w badania wnieśli badacze z Illinois, Nayeong Kim, Johannes Elbert i Ekaterina Shchukina. Badania te wsparł program Narodowej Fundacji Nauki ERASE-PFAS.
