Att använda nonstick-kokkärl för att steka ditt bacon och ägg kan göra ditt liv lättare i det ögonblicket, men forskare tror att det kan få långsiktiga konsekvenser eftersom kemikalierna som används för att göra det nonstick är så svåra att förstöra. Perfluoralkyl- och polyfluoralkylsubstanser – allmänt kända som PFAS och ofta kallade eviga kemikalier – finns överallt.
PFAS, en svit av tusentals kemikalier som har funnits åtminstone sedan 1950-talet, används för en mängd olika saker, från fläckskyddet på några av dina kläder och sängkläder till matomslagen på dina hamburgare.
Problemet är att naturliga processer är ineffektiva för att bryta ner PFAS, så de ackumuleras i miljön och kroppen, ungefär som frigolit gör på en soptipp. Experter inom vetenskap och industri letar efter sätt att förhindra att PFAS-kontamination uppstår i framtiden, men de syftar också till att minska det som redan finns i världen idag.
Det visar sig att högenergielektronstrålar är utmärkta kandidater för att förstöra PFAS i miljön. Forskare vid det amerikanska energidepartementets Fermi National Accelerator Laboratory har i samarbete med 3M framgångsrikt visat att en elektronstråle kan förstöra de två vanligaste typerna av PFAS i vatten – PFOA och PFOS.
"Elektronstrålen är en lovande teknik för att bryta ner PFAS i stora volymer vatten som innehåller höga koncentrationer av PFAS", säger Fermilabs huvudutredare Charlie Cooper.
Fermilab-teamet, som inkluderar forskaren Slavica Grdanovska, ingenjörsfysikern Yichen Ji och Cooper, använde en elektronstråleaccelerator vid laboratoriet för sina tester. Används för proof-of-concept-testning, Accelerator Application Development and Demonstration accelerator, eller A2D2, vid Illinois Accelerator Research Center på Fermilabs campus är också tillgänglig för industri, universitet och andra federala laboratorier som ett forskningsverktyg.
"Det faktum att vi arbetade med 3M, en världsexpert på PFAS, var verkligen första gången som ni hade experterna på joniserande strålning, elektronstråleacceleratorer och PFAS som arbetade på samma projekt", säger Cooper.
Konventionella vattenbehandlingsmetoder, såsom omvänd osmos, granulärt aktivt kol eller jonbytarharts, förstör inte PFAS; de koncentrerar helt enkelt PFAS i en form som därefter kräver behandling eller bortskaffande. I vissa fall kan konventionella vattenreningstekniker till och med göra miljöföroreningen värre.
Däremot förstör elektronstrålen aktivt de eviga kemikalierna och gör det snabbt, vilket gör att en större volym vatten kan behandlas på samma tid som vissa andra metoder. PFAS-molekyler är svåra att bryta ner eftersom de innehåller en kol-fluorbindning, vilket är mycket starkt och anledningen till att PFAS ofta används i den kemiska tillverkningsindustrin. Men styrkan i den där C–F-bindningen är också anledningen till att de inte bryts ner i naturen. Elektronstrålen är dock mycket effektiv för att bryta den där C–F-bindningen.
Elektronstrålar kan användas i pump-and-treat-metoder, en vanlig grundvattenbehandlingsmetod eller i en tillverkningsanläggning, som direkt behandlar avfallsströmmar innan de lämnar anläggningen.
Fermilab-teamet använde PFAS-kontaminerade vattenprover från 3M som förseglades i gastäta behållare av storleken på en whiteboardmarkör. Var och en av behållarna var gjord av borosilikatglas, som inte skulle påverkas nämnvärt av exponering för elektronstrålar, och en aluminiumförsegling klämdes på glaset med en bit PFAS-fritt gummi mellan aluminiumet och glaset. Stor noggrannhet vidtogs för att säkerställa att det inte fanns några PFAS i något av de material som användes för att hysa proverna. Fermilab bestrålade dessa prover med elektronstrålen och skickade dem tillbaka till 3M.
3M tog prov på både huvudutrymmet – luften i toppen av behållaren – och vätskan för att verifiera att den oroande PFAS hade förstörts utan att släppa ut farliga produkter till luften.
PFAS är utbredda i många industrier, och så är det mänskliga beroendet av viktiga produkter som innehåller PFAS, såsom datorer och litiumjonbatterier. En av de mest problematiska PFAS-innehållande produkterna när det gäller miljöförorening har historiskt varit vattenhaltigt filmbildande skum, eller AFFF, som användes för brandbekämpning på flygplatser och inom militären; den är gjord av PFOA och PFOS.
När du sprejar AFFF på en vätska flyttas den till ytan och släcker elden genom att förhindra syre från att komma till den. Men när den används kan den sippra ner i mark och grundvatten. AFFF har använts i USA och över hela världen i decennier, till stor del av militär- och flygindustrin. Nyligen började både myndigheter och industrier undersöka PFAS-fria substitut. Alternativ finns dock inte i många applikationer och är svåra att hitta eller utföra mindre effektivt.
Även om elektronstrålar är mycket effektiva för att bryta ner hela sviter av PFAS-föreningar, har inte alla föreningar testats hittills. Forskarna fann att alla PFAS-föreningar som U.S. Environmental Protection Agency för närvarande överväger att reglera i dricksvatten förstördes effektivt av elektronstråleteknik. Men det kan finnas typer av PFAS som en elektronstråle inte kan förstöra.
Forskning fortsätter på flera fronter för att hitta alternativ till PFAS. Samtidigt kommer ledare inom vetenskap och industri att fortsätta att söka efter och förbättra metoder för att utrota dessa för alltid kemikalier i miljön. Fermilab och dess elektronstråleteknologi står i framkant av denna forskning.
Tillhandahålls av Fermi National Accelerator Laboratory
