Forskare från Drexel University har hittat ett sätt att förstöra envist motståndskraftiga giftiga föreningar, olycksbådande kallad "för evigt kemikalier, " som har förorenat dricksvattnet för miljoner över hela USA.

Dessa kemikalier, vanligen kallad PFAS - en förkortning av per- och polyfluoralkylsubstanser, använts i cirka 60 år som beläggningar för nonstick-pannor och vattentäta kläder och i brandsläckningsskum. Under de senaste två decennierna har oro för hälsorisker förknippade med exponering för PFAS - från cancer och sköldkörtelproblem till låg födelsevikt och högt blodtryck - lett till federala förbud, övervakningsmandat och massiva saneringsinsatser.

Men att eliminera dessa kemikalier – ursprungligen utformade för att motstå höga temperaturer från bränsledrivna bränder – från dricksvatten har visat sig vara nästan omöjligt.

"De kemiska kol-fluoridbindningarna i PFAS-föreningar är extremt stabila, så det är omöjligt att bryta ner dessa föreningar med standardbehandlingsmetoder, " sa Christopher Sales, Ph.D., en docent i miljöteknik vid Drexel som studerar nedbrytning av miljöföroreningar.

Sales är en del av ett team från Drexel's College of Engineering och C. &J. Nyheim Plasma Institute som undersöker hur en explosion av laddad gas, kallas kall plasma, kan användas för att eliminera PFAS från vatten. Hans grupp publicerade nyligen sin forskning i tidskriften Miljövetenskap:Vattenforskning &-teknik .

"Det här har blivit en akut fråga eftersom vi ser PFAS dyka upp överallt, inte bara i vattnet och jorden nära flygplatser som använde det i brandsläckningsskum, men också i många konsumtionsvaror som fläckbeständiga tyger och livsmedelsförpackningar utformade för att stöta bort vätskor och fett", säger försäljningen. "Eftersom dessa kemikalier inte lätt bryts ned biologiskt, PFAS läcker ut i grund- och ytvatten från produkter som har legat på soptippar i decennier."

Även om exakta exponeringsvägar ännu inte har identifierats, studier tyder på att PFAS har upptäckts i blodomloppet hos så mycket som 98 procent av den amerikanska befolkningen genom någon kombination av direkt exponering, dricksvattenförorening och bioackumulering.

Försvarsdepartementet spenderar för närvarande miljarder dollar för att städa upp förorenade markvattenförsörjningar runt hundratals militärbaser där PFAS brandsläckningsskum hade använts. Men de bästa ansträngningarna är bara ett stopp, enligt försäljning.

"Den nuvarande standarden för att hantera PFAS-förorenat vatten är aktivt kolfilter, "Försäljning sa. "Men problemet med filtrering är att det bara samlar PFAS det inte förstör det. Så, såvida inte filtren förbränns vid höga temperaturer, de förbrukade filtren blir en ny källa till PFAS som kan ta sig tillbaka till miljön genom avrinning från deponier och läckage."

För att verkligen eliminera kemikalierna måste behandlingen splittras isär kol-fluoridbindningen som är nyckeln till föreningens uthållighet. Olika typer av PFAS, som nu uppgår till tusentals, består av kolfluoridkedjor med olika längd. Det primära målet med föreslagna dekontamineringsmetoder är att bryta kedjan i mindre bitar för att göra den inert. En sekundär, och mer utmanande mål, avlägsnar helt fluoridatomerna från föreningarna - en prestation som kallas defluorering.

Ett sätt att ta bort PFAS från vatten är genom att höja dess temperaturer, vilket höjer aktiviteten hos dess atomer tillräckligt för att sträcka kol-fluoridbindningen till dess bristningsgräns. Tyvärr, det krävs mycket mer än att koka för att bli av med PFAS, enligt försäljning.

"För att bryta den extremt stabila bindningen mellan kol och fluor i PFAS, du måste höja temperaturen på föreningarna till minst 1, 000 Celsius - alltså 10 gånger temperaturen för kokande vatten, "Försäljningen sa. "Men det är helt klart inte genomförbart för vattenbehandlingsverksamhet, på grund av den enorma mängd energi som den skulle förbruka."

Drexel-teamet föreslår användning av högenergiförsörjd gas, eller plasma, som ett sätt att aktivera PFAS-atomerna utan att värma vattnet.

I icke-jämvikt, eller "kall" plasma, ett elektromagnetiskt fält används för att excitera elektronerna i en gas utan att höja dess totala temperatur. I ett vanligt exempel på kall plasma, ett fluorescerande ljus, elektroner exciteras till den punkt där de avger synligt ljus medan själva gasen förblir vid rumstemperatur.

Forskare vid Nyheim Plasma Institute har använt icke-jämviktsplasmateknologi för dekontaminering och sterilisering av produkter och kött och i hälsovårdsmiljöer.

Att släppa det på PFAS är den kemiska motsvarigheten till att använda en mixer för att göra en smoothie.

Först, en anordning som kallas en glidbågeplasmatron skapar ett roterande elektromagnetiskt fält som aktiverar elektroner av gasbubblor i vattnet. De högenergielektronerna delar isär kemiska arter i vattnet och börjar avge ultraviolett strålning. I sista hand, den snurrande virveln av atomer, joner och strålning når en aktivitetsnivå som är tillräckligt hög för att bryta kol-fluoridbindningen i PFAS-föreningarna – allt utan att höja temperaturen i vattnet.

På bara en timmes behandling, som använder lite mer energi än vad det skulle ta för att få en tekokare att koka, plasmabehandlingen med glidbåge kan eliminera mer än 90 procent av PFAS från vattnet och defluorera ungefär en fjärdedel av föreningarna, enligt gruppens nyligen publicerade studie.

"Detta är bara ett exempel på hur effektivt och energieffektivt kall plasmateknik kan användas för att ta itu med svåra problem med kemisk kontaminering, sa Alexander Fridman, Ph.D., direktör för Nyheim Plasma Institute. "Kall plasma har potentialen att hjälpa oss att eliminera en mängd olika kemiska gifter som hotar vår mat- och dricksvattenförsörjning."

Medan plasmabehandlingsmetoder för PFAS-borttagning har testats av andra grupper, än så länge lämpar sig ingen av dem för att lätt skalas upp för användning på stora behandlingsanläggningar, enligt Drexel-forskarna.

"Nu när vi har bevisat effektiviteten av behandling av kallt plasmavatten är vårt nästa steg att fortsätta testa det i större skala, "Vi tror också att tekniken kan anpassas för att behandla förorenad jord och för att uppnå nästan fullständig defluorering av PFAS-föreningar."