Rice University kemiingenjörer hittade en effektiv katalysator för att förstöra PFAS "för evigt" kemikalier där de minst förväntade sig.

"Det var kontrollen, " sa risprofessorn Michael Wong, hänvisar till den del av ett vetenskapligt experiment där forskare inte förväntar sig överraskningar. Kontrollgruppen är måttstocken för experimentell vetenskap, baslinjen som variabler mäts med.

"Vi har ännu inte testat detta i full skala, men i våra bänktester i labbet, vi skulle kunna bli av med 99 % av PFOA på fyra timmar, "Wong sa om bornitrid, den ljusaktiverade katalysatorn han och hans elever snubblade över och ägnade mer än ett år åt att testa.

Deras studie, som är tillgänglig online i tidskriften American Chemical Society Miljövetenskap och teknikbrev , fann bornitrid förstört PFOA (perfluoroktansyra) vid ett snabbare klipp än någon tidigare rapporterad fotokatalysator. PFOA är en av de vanligaste PFAS (perfluoralkyl- och polyfluoralkylsubstanserna), en familj på mer än 4, 000 föreningar utvecklade på 1900-talet för att göra beläggningar för vattentäta kläder, Matförpackning, nonstick-pannor och otaliga andra användningsområden. PFAS har kallats "för evigt kemikalier" för deras tendens att dröja kvar i miljön, och forskare har hittat dem i blodet på praktiskt taget alla amerikaner, inklusive nyfödda.

Katalysatorer är Wongs specialitet. De är föreningar som orsakar kemiska reaktioner utan att delta eller förbrukas i dessa reaktioner. Hans labb har skapat katalysatorer för att förstöra ett antal föroreningar, inklusive TCE och nitrater, och han sa att han gav sitt team i uppdrag att hitta nya katalysatorer för att ta itu med PFAS för cirka 18 månader sedan.

"Vi provade många saker, sa Wong, ordförande för Institutionen för kemi- och biomolekylär teknik vid Rice's Brown School of Engineering. "Vi provade flera material som jag trodde skulle fungera. Inget av dem gjorde det. Det här skulle inte fungera, och det gjorde det."

Katalysatorn, bornitridpulver, eller BN, är ett kommersiellt tillgängligt syntetiskt mineral som används flitigt i smink, hudvårdsprodukter, termiska pastor som kyler datachips och andra konsument- och industriprodukter.

Upptäckten började med dussintals misslyckade experiment på mer troliga PFAS-katalysatorer. Wong sa att han frågade två medlemmar av sitt labb, besökande doktorand Lijie Duan från Kinas Tsinghua University och Rice doktorand Bo Wang, att göra sista experiment på en uppsättning kandidatföreningar innan man går vidare till andra.

"Det fanns litteratur som föreslog att en av dem kunde vara en fotokatalysator, vilket betyder att det skulle aktiveras av ljus med en viss våglängd, " sa Wong. "Vi använder inte ljus särskilt ofta i vår grupp, men jag sa, "Låt oss gå vidare och klottra runt med det." Solen är fri energi. Låt oss se vad vi kan göra med ljus."

Som förut, ingen av experimentgrupperna fungerade bra, men Duan märkte något ovanligt med bornitridkontrollen. Hon och Wang upprepade experimenten flera gånger för att utesluta oväntade fel, problem med provberedningen och andra förklaringar till det märkliga resultatet. De såg samma sak hela tiden.

"Här är observationen, " sa Wong. "Du tar en kolv med vatten som innehåller lite PFOA, du kastar i ditt BN-pulver, och du förseglar den. Det är allt. Du behöver inte tillsätta något väte eller rensa det med syre. Det är bara luften vi andas, det förorenade vattnet och BN-pulvret. Du utsätter det för ultraviolett ljus, specifikt för UV-C-ljus med en våglängd på 254 nanometer, kom tillbaka om fyra timmar, och 99 % av PFOA har omvandlats till fluorid, koldioxid och väte."

Problemet var ljuset. 254 nanometers våglängd, som vanligtvis används i bakteriedödande lampor, är för liten för att aktivera bandgapet i bornitrid. Även om det utan tvekan var sant, experimenten antydde att det inte kunde vara så.

"Om du tar bort ljuset, du får ingen katalys, " sa Wong. "Om du utelämnar BN-pulvret och bara använder ljuset, du får ingen reaktion."

Så bornitrid absorberade tydligt ljuset och katalyserade en reaktion som förstörde PFOA, trots att det borde ha varit optiskt omöjligt för bornitrid att absorbera 254 nanometer UV-C-ljus.

"Det ska inte fungera, " sa Wong. "Det är därför ingen någonsin tänkte leta efter det här, och det är därför det tog så lång tid för oss att publicera resultaten. Vi behövde någon form av förklaring till denna motsägelse."

Wong sa han, Duan, Wang och medförfattare gav en rimlig förklaring i studien.

"Vi drog slutsatsen att vårt material absorberar ljuset på 254 nanometer, och det är på grund av atomära defekter i vårt pulver, " sa han. "Defekterna ändrar bandgapet. De krymper det tillräckligt för att pulvret ska absorbera precis tillräckligt med ljus för att skapa de reaktiva oxiderande ämnena som tuggar upp PFOA."

Wong sa att fler experimentella bevis kommer att behövas för att bekräfta förklaringen. Men mot bakgrund av resultaten med PFOA, han undrade om bornitridkatalysatorn också kunde fungera på andra PFAS-föreningar.

"Så jag bad mina elever att göra en sak till, " Sa Wong. "Jag lät dem ersätta PFOA i testerna med GenX."

GenX är också en evig kemikalie. När PFOA förbjöds, GenX var en av de mest använda kemikalierna för att ersätta den. Och en växande mängd bevis tyder på att GenX kan vara ett lika stort miljöproblem som sin föregångare.

"Det är en liknande historia som PFOA, " Sa Wong. "De hittar GenX överallt nu. Men en skillnad mellan de två är att människor tidigare har rapporterat viss framgång med katalysatorer för nedbrytning av PFOA. Det har de inte för GenX."

Wong och kollegor fann att bornitridpulver också förstör GenX. Resultaten var inte lika bra som med PFOA:Med två timmars exponering för 254 nanometer ljus, BN förstörde cirka 20 % av GenX i vattenprover. Men Wong sa att teamet har idéer om hur man kan förbättra katalysatorn för GenX.

Han sa att projektet redan har uppmärksammats av flera industriella partners i Rice-based Nanosystems Engineering Research Center for Nanotechnology-Enabled Water Treatment (NEWT). NEWT är ett tvärvetenskapligt tekniskt forskningscenter finansierat av National Science Foundation för att utveckla vattenreningssystem utanför nätet som både skyddar människoliv och stödjer hållbar ekonomisk utveckling.

"Forskningen har varit rolig, en riktig laginsats, " sa Wong. "Vi har lämnat in patent på detta, och NEWT:s intresse för ytterligare testning och utveckling av teknologin är ett stort förtroende."