Forskare från University of Rochester har utvecklat nya elektrokemiska metoder för att rensa upp föroreningar från "för evigt kemikalier" som finns i kläder, livsmedelsförpackningar, brandsläckningsskum och ett brett utbud av andra produkter. En ny Journal of Catalysis studien beskriver nanokatalysatorer som utvecklats för att sanera per- och polyfluoralkylämnen som kallas PFAS.
Forskarna, ledda av biträdande professorn i kemiteknik Astrid Müller, fokuserade på en specifik typ av PFAS som kallas perfluoroktansulfonat (PFOS), som en gång användes flitigt för fläckbeständiga produkter men som nu är förbjuden i stora delar av världen på grund av dess skada på människors och djurs hälsa. PFOS är fortfarande utbrett och beständigt i miljön trots att det fasades ut av amerikanska tillverkare i början av 2000-talet och fortsatte att dyka upp i vattenförsörjningen.
Müller och hennes team av materialvetenskap Ph.D. studenter skapade nanokatalysatorerna med hjälp av hennes unika kombination av expertis inom ultrasnabba lasrar, materialvetenskap, kemi och kemiteknik.
"Genom att använda pulsad laser i vätskesyntes kan vi kontrollera ytkemin hos dessa katalysatorer på sätt som du inte kan göra med traditionella våtkemiska metoder", säger Müller. "Du kan kontrollera storleken på de resulterande nanopartiklarna genom interaktionen mellan ljus och materia, i princip spränga isär dem."
Forskarna fäster sedan nanopartiklarna på kolpapper som är hydrofilt. Det ger ett billigt underlag med stor yta. Genom att använda litiumhydroxid i höga koncentrationer avfluorerade de PFOS-kemikalierna fullständigt.
Müller säger att för att processen ska fungera i stor skala måste de behandla minst en kubikmeter åt gången. Avgörande är att deras nya tillvägagångssätt använder alla oädla metaller, till skillnad från befintliga metoder som kräver borodopade diamanter. Enligt deras beräkningar skulle behandling av en kubikmeter förorenat vatten med bordopad diamant kosta 8,5 miljoner dollar; den nya metoden är nästan 100 gånger billigare.
Använda PFAS-kemikalier på ett hållbart sätt
I framtida studier hoppas Müller förstå varför litiumhydroxid fungerar så bra och om ännu billigare, mer rikliga material kan ersättas för att få ner kostnaderna ytterligare. Hon vill också tillämpa metoden på en rad PFAS-kemikalier som fortfarande används allmänt men som har kopplats till hälsoproblem, från utveckling hos spädbarn till njurcancer.
Müller säger att trots deras problem är det inte praktiskt att direkt förbjuda alla PFAS-kemikalier och ämnen på grund av deras användbarhet inte bara i konsumentprodukter utan även i grön teknik.
"Jag skulle hävda att i slutändan beror många avkolningsinsatser - från geotermiska värmepumpar till effektiv kylning till solceller - på tillgången på PFAS", säger Müller. "Jag tror att det är möjligt att använda PFAS på ett cirkulärt, hållbart sätt om vi kan utnyttja elektrokatalytiska lösningar för att bryta fluorkarbonbindningar och få ut fluoriden på ett säkert sätt utan att försätta det i miljön."
Även om kommersialiseringen är långt borta, lämnade Müller in ett patent med stöd från URVentures och förutser att det kommer att användas vid reningsanläggningar för avloppsvatten och av företag för att städa upp förorenade platser där de brukade producera dessa PFAS-kemikalier. Hon kallar det också en fråga om social rättvisa.
"Ofta i områden med lägre inkomst över hela världen finns det mer föroreningar", säger Müller. "En fördel med ett elektrokatalytiskt tillvägagångssätt är att du kan använda det på ett distribuerat sätt med ett litet fotavtryck med el från solpaneler."
Mer information: Ziyi Meng et al, Komplett elektrokatalytisk defluorering av perfluoroktansulfonat i vattenlösning med oädla material, Journal of Catalysis (2024). DOI:10.1016/j.jcat.2024.115403
Tillhandahålls av University of Rochester
