PFAS — это обширная группа синтетических соединений, которые широко используются в современной промышленности благодаря своей устойчивости к высоким температурам, воде и маслам. Однако химическая стойкость этих веществ, которая является их преимуществом в производстве и использовании, становится минусом, когда речь заходит об их утилизации. Вечные химикаты на долгие годы остаются в окружающей среде, что приводит к загрязнению воды, почв и серьезным рискам для здоровья человека: уже известно, что PFAS могут провоцировать онкологические заболевания и заболевания иммунной системы.
Традиционные методы утилизации таких соединений дорогостоящие, энергозатратные и зачастую приводят к образованию не менее опасных и токсичных вторичных загрязнителей. В связи с этим ученые ищут более эффективные и экологически безопасные альтернативы, и их работа наконец-то увенчалась успехом. Профессор химии и материаловедения Джеймс Тур и аспирантка Фелесия Скотланд из Университета Райса представили метод, который позволяет не только эффективно очистить водные системы от токсичных химических соединений, но и превратить собранные отходы в исключительно ценный материал — графен.
«Наш метод не просто уничтожает вечные химикаты, но и превращает отходы в ценное сырье», — отметил Тур. «Использованный углерод мы перерабатываем в графен, то есть нам удалось создать технологию, которая приносит не только экологическую, но и экономическую выгоду, помогая таким образом компенсировать затраты на очистку».
Для нейтрализации вечных химикатов ученые использовали технологию импульсного джоулевого нагрева (flash joule heating, FJH). В эксперименте использовался гранулированный активированный уголь (GAC), насыщенный PFAS, а также минеральные добавки — соли натрия и кальция. На полученную смесь подавалось высокое напряжение, которое за доли секунды нагревало ее до температуры более 3000 градусов Цельсия. Такой экстремальный нагрев разрушал прочные углеродно-фторные связи в PFAS, превращая их в нетоксичные фторидные соли. При этом сам GAC трансформировался в графен — материал, востребованный в электронике, строительстве и других отраслях, что делает процесс масштабируемым и экономически оправданным.
Технология показала впечатляющую эффективность: процесс обеспечил более 96% дефторирования и расщепил 99,98% перфтороктановой кислоты (PFOA) — одного из наиболее распространенных загрязнителей из группы PFAS. Анализ подтвердил, что при этом не образуются вредные летучие органические фториды, которые являются частыми побочными продуктами других методов обработки PFAS. Кроме того, новый метод полностью решил проблему вторичных отходов, характерную для других способов утилизации: сжигание или захоронение использованного углерода не требуется.
При этом новая технология позволяет нейтрализовать не только PFOA и перфтороктансульфоновую кислоту (PFOS) — самые изученных соединений из группы PFAS. Высокие температуры позволяют разрушать широкий спектр PFAS, в том числе, такие стойкие фторполимеры, как тефлон. Помимо графена, технология позволяет получать другие ценные углеродные материалы — углеродные нанотрубки и нанобриллианты.
