"Kemikalier för evigt", uppkallade efter deras förmåga att kvarstå i vatten och jord, är en klass av molekyler som är ständigt närvarande i våra dagliga liv, inklusive livsmedelsförpackningar och hushållsrengöringsprodukter. Eftersom dessa kemikalier inte bryts ner, hamnar de i vårt vatten och mat, och de kan leda till hälsoeffekter, som cancer eller minskad fertilitet.

Förra månaden föreslog U.S. Environmental Protection Agency att ge två av de vanligaste eviga kemikalierna, kända som PFOA och PFOS, en "superfond"-beteckning, vilket skulle göra det lättare för EPA att spåra dem och planera saneringsåtgärder.

Rengöring skulle uppenbarligen vara effektivare om de eviga kemikalierna kunde förstöras i processen, och många forskare har studerat hur man bryter ner dem. Nu har ett team av forskare vid University of Washington ett nytt sätt att förstöra både PFOA och PFOS. Forskarna skapade en reaktor som helt kan bryta ner svårförstörbara kemikalier med hjälp av "superkritiskt vatten", som bildas vid hög temperatur och högt tryck. Den här tekniken kan hjälpa till att behandla industriavfall, förstöra koncentrerade kemikalier för evigt som redan finns i miljön och ta hand om gamla lager, till exempel de eviga kemikalierna i släckskum.

Teamet publicerade dessa resultat i Chemical Engineering Journal .

UW News pratade med seniorförfattaren Igor Novosselov, en UW-forskningsdocent i maskinteknik, för att lära sig mer om detaljerna.

Vad är superkritiskt vatten och hur kan det förstöra dessa molekyler?

Igor Novosselov :Vår reaktor värmer i princip vatten väldigt snabbt, men den värmer vatten annorlunda än när du kokar det till pasta. Vanligtvis höjer du temperaturen, vattnet kokar och förvandlas till ånga. Därifrån blir vattnet och ångan inte varmare än 100 grader Celsius (212 F).

Men om du komprimerar vatten kan du ändra den jämvikten och få den kokpunkten vid mycket varmare temperaturer. Ökar man trycket ökar koktemperaturen. Vid ett tillfälle kommer vattnet inte att övergå från vätska till ånga. Istället kommer du att nå en kritisk punkt där vatten kommer att nå ett annat tillstånd av materia, som kallas den superkritiska fasen. Här är vatten inte en vätska eller en gas. Det är något mellan, och linjerna är lite luddiga där. Det är något som liknar en plasma där vattenmolekylerna blir som joniserade partiklar. Dessa delvis dissocierade molekyler studsar runt vid höga temperaturer och höga hastigheter. Det är en mycket frätande och kemiskt aggressiv miljö där organiska molekyler inte kan överleva.

Kemikalier som överlever för evigt i normalt vatten, som PFOS och PFOA, kan brytas ner i superkritiskt vatten i mycket hög hastighet. Om vi ​​får rätt förutsättningar kan dessa motsträviga molekyler fullständigt förstöras, utan att lämna några mellanprodukter och endast ge ofarliga ämnen, såsom koldioxid, vatten och fluorsalter, som ofta tillsätts kommunalt vatten och tandkräm.

Hur kom du igång med att designa den här reaktorn?

Novosselov :Vi designade den ursprungligen för att bryta ner kemiska krigföringsmedel, som också är väldigt svåra att förstöra. Det tog oss fem år att tillverka reaktorn. Det fanns viktiga frågor som, hur håller vi saker och ting vid den pressen? Inuti reaktorn är trycket 200 gånger högre än vid havsnivån. En annan fråga vi hade var:Hur säkerställer vi att reaktorn antänds och arbetar vid en angiven temperatur i kontinuerligt läge? Det blev ett ingenjörsprojekt, men trots allt är vi ingenjörer.

Hur fungerar reaktorn?

Novosselov :Det hela är inuti ett tjockt rostfritt stålrör som är ungefär en fot långt och en tum i diameter. Vi kan variera temperaturen inuti för att ta reda på hur varmt vi måste gå för att helt förstöra en kemikalie. Vissa kemikalier kräver 400 C (752 F), vissa 650 C (1202 F).

På toppen av reaktorn sprutar vi kontinuerligt in pilotbränsle, luft och den kemikalie vi vill förstöra, till exempel:PFOS, i det superkritiska vattnet. Bränslet ger den nödvändiga värmen för att blandningen ska förbli superkritisk, och PFOS blandas snabbt med detta aggressiva medium. Totalt sett är reaktionstiden mindre än en minut. I botten av reaktorn kyls blandningen ner för att ge både vätska och gasutsläpp. Vi kan analysera vad som finns i både vätske- och gasfasen för att mäta om vi har förstört kemikalien.

Vad hittade du?

Novosselov :Vi gjorde samma experiment med PFOS och PFOA, eftersom båda regleras av EPA. Vi såg att PFOA försvinner vid milda superkritiska förhållanden (cirka 400 grader C, eller 750 F), men PFOS gör det inte. Det tog tills vi nådde 610 grader C (1130 F) för att se förstörelsen av PFOS. Vid den temperaturen förstördes PFOS och alla intermediärer – inom loppet av 30 sekunder.

Vid lägre temperaturer visade PFOS-experiment bildandet av en mängd olika mellanliggande molekyler, inklusive PFOA. En del av dessa nedbrytningsprodukter kom ut i flytande fas, vilket innebär att de kan finnas i avloppsvatten vid tillverkningsanläggningar som använder evigt kemikalier. Men andra intermediärer kommer ut i gasfasen, vilket är problematiskt eftersom gasutsläpp vanligtvis inte regleras. Dessa molekyler innehåller grundämnet fluor, och vi vet att dessa typer av gaser bidrar till växthuseffekter. Just nu har vi inget sätt att övervaka gasföroreningarna i realtid, och vi vet inte hur mycket vi skulle producera eller ens deras exakta kemiska sammansättning.

Vad är nästa steg för det här projektet?

Novosselov :Vi har några nästa steg. Vi har använt reaktorn för att se hur väl den förstör andra eviga kemikalier förutom PFOS och PFOA. Vi utvärderar också hur väl den här tekniken skulle kunna fungera för verkliga scenarier. Du kan till exempel inte behandla hela havet så här. Men vi skulle möjligen kunna använda detta för att behandla befintliga problem, som för evigt kemiskt avfall vid tillverkningsanläggningar.

För alltid kemisk kontaminering är ett stort problem, och det kommer inte att försvinna. Vi är glada över att arbeta med det och samarbeta med tillsynsmyndigheter och ledande grupper inom akademi och industri för att hitta lösningen. + Utforska vidare

EPA för att beteckna "för alltid kemikalier" som farliga ämnen