Ett nytt beräkningsverktyg som utvecklats vid Michigan Technological University hjälper till i den akuta strävan att eliminera de beständiga kemikalierna som kallas PFAS från samhällets vattenförsörjning.

På grund av sina unika egenskaper används per- och polyfluoralkylsubstanser (PFAS) överallt i det dagliga livet – från vattenavvisande kläder och nonstick-kokkärl till pizzakartonger, skidvax, snabbmatsomslag och brandskum.

"PFAS innehåller en mycket stark kol-fluorbindning, som inte lätt bryts ned av biologiska aktiviteter", säger Daisuke Minakata, docent i civil-, miljö- och geospatial teknik. "PFAS kan förbli i miljön nästan för evigt; därför kallas de "de evigt kemikalier." Det slutar med att de förorenar vårt grundvatten och ytvatten, våra vattendrag och så småningom även vårt dricksvatten och ekologiska system – inklusive sötvattensfiskar."

Kemiska industrier tillverkar PFAS med olika egenskaper för specifika kommersiella produkter; det finns cirka 4 000–5 000 kända typer. Medan de toxikologiska effekterna fortfarande är i stort sett okända, är PFAS potentiellt cancerframkallande, sa Minakata. Små koncentrationer av PFAS har hittats i mänskliga blodomlopp. Som ett resultat av detta började delstaten Michigan och U.S. Environmental Protection Agency (EPA) nyligen reglera nivåerna av flera typer av PFAS enligt Safe Water Drinking Act.

Att svara på PFAS som upptäckts i vatten är utmanande för samhällen i Michigan och på andra håll. "Vissa vattenmyndigheter har redan lokaliserat källan till PFAS-kontamination i deras dricksvatten," sa Minakata. "Det är en början. Men på grund av de budgetbegränsningar som många lokala myndigheter står inför har de helt enkelt inte råd att använda avancerad vattenbehandlingsteknik för att ta bort PFAS."

Kostnaden är inte det enda hindret. "Lokala vattenmyndigheter kämpar för att implementera tillgänglig teknik för att ta bort PFAS från vattenkällor," sa Minakata. "Nuvarande teknologier - såsom adsorption av granulärt aktivt kol och jonbyte - erbjuder endast en fasöverföring av PFAS från vatten till kolmedia, som sedan kräver regenerering och ersättning." En annan oro:"Kolbaserad adsorption fungerar för PFAS med längre kedja, men de fasas nu ut från marknaden", sa han. "De ersätts av PFAS med mindre kedja. PFAS med mindre kedja har färre toxikologiska problem, men de avlägsnas inte väl genom adsorption."

Och det finns ett annat problem. "De flesta för närvarande tillgängliga saneringstekniker förstör faktiskt inte PFAS," sa Minakata. "Istället överför dessa tekniker PFAS från en fas till en annan. De implementeras bekvämt för att möta de nya EPA-reglerna. Men det kommer att slå tillbaka. Om vi ​​inte förstör strukturen för PFAS helt, kommer vi att möta större, fler grundläggande problem."

Minakata tror att PFAS kommer att hamna i avloppsvatten och lakvatten från deponier som ett resultat av nuvarande PFAS-saneringsteknik, om än i mycket låga koncentrationer. "PFAS kommer sedan att transporteras tillbaka till miljön genom avdunstning, atmosfäriskt nedfall och biosolids. De återvunna biosolids kan sedan användas i jordbruket, så PFAS kan så småningom förorena livsmedelsgrödor," sade han.

Ett nytt beräkningsverktyg för avancerad minskning

Trots det ser Minakata ett ljus i slutet av PFAS-tunneln. Hans forskargrupp publicerade nyligen en artikel som beskriver ett nytt PFAS-beräkningsverktyg, "Reactivities of hydrated electronics with organic compounds in aqueous-phase advanced reduction processes" i Royal Society of Chemistrys tidskrift Environmental Science:Water Research &Technology.

Minakata och Michigan Tech doktorand Rose Daily, en forskarstipendiat från National Science Foundation i miljöteknik, använde datavetenskap och beräkningskemi för att studera hundratals strukturellt olika organiska kemikalier för att förutsäga PFAS-reaktiviteter.

"Våra metoder kan utökas och användas för att screena tusentals PFAS", säger Minakata. "Nyckeln är att förstå reaktiviteten hos solvatiserade elektroner med organiska kemikalier och PFAS. Med den kunskapen kan du screena ett stort antal PFAS-föroreningar och prioritera dem för tillämpning av avancerade reduktionsprocesser för att bryta ned - och förhoppningsvis helt förstöra - PFAS."

Minakatas forskningsresultat kan också användas för att stärka och förbättra nuvarande PFAS-saneringstillämpningar, inklusive elektrokemiska oxidationstekniker.

Grundläggande forskning:Reaktivitet av elektroner

"Jag har studerat oxidationen av organiska föroreningar i vatten och avloppsvatten i 20 år," sa Minakata. "Varje PFAS är mycket unik och många är oxiderade former; därför förstör oxidation inte PFAS väl." Forskare över hela världen letar nu efter reduktionstekniker som är beroende av elektroner, sa han.

"Elektrokemisk reduktion med hjälp av elektroner är en teknik med lovande resultat. Forskare arbetar nu med elektrodmaterial och reaktordesign för att förbättra effektiviteten för verklig tillämpning. Det är här som min grundläggande forskning kan ge värdefull information om reaktiviteter hos elektroner som, upp tills nu, har inte blivit väl förstått."

Föreslagen fokus:Inrikta dig på de största koncentrationerna av PFAS

Få PFAS där den är mest utbredd, säger Minakata. "Istället för att rikta in sig på extremt låga koncentrationer av PFAS i vatten, bör forskning och sanering identifiera och rikta in sig på de punkter där PFAS-koncentrationerna är relativt höga", sade han. "Det skulle vara ett mycket bättre sätt att överkomligt, effektivt och effektivt förstöra PFAS."

Därefter planerar Minakata och hans medarbetare att studera den fysiska distributionen av PFAS. "Vi vill hitta PFAS-hotspots – platser där vi kan tillämpa dessa lovande teknologier – för att förstöra stora mängder PFAS på en gång."

PFAS presenterar miljörättvisa frågor, noterade Minakata, vars forskning inom detta område delvis stöds av Central Chemicals. "Istället för att täcka över PFAS-problem, som att lägga små plåster på allvarliga skador, måste vi miljöingenjörer ta itu med och lösa det grundläggande problemet med PFAS i samarbete med forskare, industrier, samhällen och beslutsfattare", sa han. + Utforska vidare

De flesta ansiktsmasker utsätter inte bärare för skadliga nivåer av PFAS, säger studie