PFAS, en grupp tillverkade kemikalier som ofta har använts sedan 1940-talet, kallas "för evigt kemikalier" av en anledning. Bakterier kan inte äta dem; eld kan inte förbränna dem; och vatten kan inte späda ut dem. Och om dessa giftiga kemikalier begravs läcker de ut i omgivande jord, vilket blir ett bestående problem i generationer framöver.

Nu har kemister från Northwestern University gjort det till synes omöjliga. Med hjälp av låga temperaturer och billiga, vanliga reagens utvecklade forskargruppen en process som får två huvudklasser av PFAS-föreningar att falla isär, vilket bara lämnar efter sig godartade slutprodukter.

Den enkla tekniken kan potentiellt vara en kraftfull lösning för att slutligen göra sig av med dessa skadliga kemikalier, som är kopplade till många farliga hälsoeffekter hos människor, boskap och miljön.

"PFAS har blivit ett stort samhällsproblem", säger Northwesterns William Dichtel, som ledde studien. "Även bara en liten, liten mängd PFAS orsakar negativa hälsoeffekter, och det bryts inte ner. Vi kan inte bara vänta ut det här problemet. Vi ville använda kemi för att ta itu med det här problemet och skapa en lösning som världen kan använda . Det är spännande på grund av hur enkel – men okänd – vår lösning är."

Dichtel är Robert L. Letsinger professor i kemi vid Northwesterns Weinberg College of Arts and Sciences. Brittany Trang, som genomförde projektet som en del av sin nyligen avslutade doktorsavhandling i Dichtels laboratorium, är tidningens första författare.

'Samma kategori som bly'

Förkortning för per- och polyfluoralkylsubstanser, PFAS har använts i 70 år som nonstick och vattentätningsmedel. De finns vanligtvis i nonstick-kokkärl, vattentät kosmetika, brandsläckningsskum, vattenavvisande tyger och produkter som motstår fett och olja.

Under åren har dock PFAS tagit sig ut ur konsumtionsvaror och in i vårt dricksvatten och till och med in i blodet hos 97 % av den amerikanska befolkningen. Även om hälsoeffekterna ännu inte är helt klarlagda är PFAS-exponering starkt förknippad med minskad fertilitet, utvecklingseffekter hos barn, ökade risker för olika typer av cancer, minskad immunitet mot infektioner och ökade kolesterolnivåer. Med dessa negativa hälsoeffekter i åtanke, förklarade U.S. Environmental Protection Agency (EPA) nyligen flera PFAS som osäkra, även vid spårnivåer.

"Nyligen reviderade EPA sina rekommendationer för PFOA i huvudsak ner till noll," sa Dichtel. "Det placerar flera PFAS i samma kategori som bly."

Obrytbara band

Även om samhällets ansträngningar för att filtrera PFAS från vatten har varit framgångsrika, finns det få lösningar för hur man kasserar PFAS när det väl har tagits bort. De få alternativ som nu dyker upp involverade i allmänhet PFAS-destruktion vid höga temperaturer och tryck eller andra metoder som kräver stora energiinsatser.

"I delstaten New York visade sig en anläggning som påstår sig förbränna PFAS släppa ut några av dessa föreningar i luften," sa Dichtel. "Föreningarna släpptes ut från skorstenarna och in i det lokala samhället. En annan misslyckad strategi har varit att gräva ner föreningarna i deponier. När du gör det garanterar du i princip bara att du kommer att ha ett problem om 30 år eftersom det kommer att läcker sakta ut. Du löste inte problemet. Du sparkade bara ner burken på vägen."

Hemligheten bakom PFAS oförstörbarhet ligger i dess kemiska bindningar. PFAS innehåller många kol-fluorbindningar, som är de starkaste bindningarna inom organisk kemi. Som det mest elektronegativa grundämnet i det periodiska systemet vill fluor ha elektroner, och illa. Kol, å andra sidan, är mer villiga att ge upp sina elektroner.

"När du har den typen av skillnad mellan två atomer - och de är ungefär lika stora, vilket kol och fluor är - det är receptet för en riktigt stark bindning," förklarade Dichtel.

Påpekar PFAS akilleshäl

Men när de studerade föreningarna fann Dichtels team en svaghet. PFAS innehåller en lång svans av orubbliga kol-fluorbindningar. Men i ena änden av molekylen finns en laddad grupp som ofta innehåller laddade syreatomer. Dichtels team riktade in sig på denna huvudgrupp genom att värma PFAS i dimetylsulfoxid – ett ovanligt lösningsmedel för PFAS-destruktion – med natriumhydroxid, ett vanligt reagens. Processen halshögg huvudgruppen och lämnade efter sig en reaktiv svans.

"Det utlöste alla dessa reaktioner, och det började spotta ut fluoratomer från dessa föreningar för att bilda fluor, vilket är den säkraste formen av fluor," sa Dichtel. "Även om kol-fluorbindningar är superstarka, är den laddade huvudgruppen akilleshälen."

I tidigare försök att förstöra PFAS har andra forskare använt höga temperaturer — upp till 400 grader Celsius. Dichtel är glada över att den nya tekniken bygger på mildare förhållanden och ett enkelt, billigt reagens, vilket gör lösningen potentiellt mer praktisk för utbredd användning.

Efter att ha upptäckt PFAS-nedbrytningsförhållandena upptäckte Dichtel och Trang också att de fluorerade föroreningarna faller isär genom andra processer än vad som allmänt antas. Med hjälp av kraftfulla beräkningsmetoder simulerade samarbetspartnerna Ken Houk vid UCLA och Yuli Li, en student vid Tianjin University som virtuellt besökte Houks grupp, PFAS-nedbrytningen. Deras beräkningar tyder på att PFAS faller isär genom mer komplexa processer än förväntat. Även om det tidigare antogs att PFAS skulle falla isär ett kol i taget, visade simuleringen att PFAS faktiskt faller isär två eller tre kol i taget – en upptäckt som matchade Dichtel och Trangs experiment. Genom att förstå dessa vägar kan forskare bekräfta att endast godartade produkter finns kvar. Denna nya kunskap kan också hjälpa till att vägleda ytterligare förbättringar av metoden.

"Detta visade sig vara en mycket komplex uppsättning beräkningar som utmanade de mest moderna kvantmekaniska metoderna och snabbaste datorerna tillgängliga för oss", säger Houk, en framstående forskningsprofessor i organisk kemi. "Kvantmekanik är den matematiska metoden som simulerar all kemi, men bara under det senaste decenniet har vi kunnat ta oss an stora mekanistiska problem som detta, utvärdera alla möjligheter och avgöra vilken som kan hända med den observerade hastigheten. Yuli har bemästrat dessa beräkningsmetoder och arbetade med Bretagne långdistans för att lösa detta grundläggande men praktiskt taget betydande problem."

Tio ner, 11 990 kvar

Därefter kommer Dichtels team att testa effektiviteten av sin nya strategi på andra typer av PFAS. I den aktuella studien degraderade de framgångsrikt 10 perfluoralkylkarboxylsyror (PFCA) och perfluoralkyleterkarboxylsyror (PFECA), inklusive perfluoroktansyra (PFOA) och en av dess vanliga ersättningar, känd som GenX - två av de mest framträdande PFAS-föreningarna. U.S. EPA har emellertid identifierat mer än 12 000 PFAS-föreningar.

Även om detta kan verka skrämmande, är Dichtel fortfarande hoppfull.

"Vårt arbete riktade sig till en av de största klasserna av PFAS, inklusive många som vi är mest oroade över", sa han. "Det finns andra klasser som inte har samma akilleshäl, men var och en kommer att ha sin egen svaghet. Om vi ​​kan identifiera den, då vet vi hur vi ska aktivera den för att förstöra den."

Dichtel is a member of the Institute for Sustainability and Energy at Northwestern's Program on Plastics, Ecosystems and Public Health; the Center for Water Research and the International Institute for Nanotechnology

The study, "Low-temperature mineralization of perfluorocarboxylic acids," is published on August 19 in the journal Science . + Utforska vidare

PFAS chemicals do not last forever