14 سپتامبر 2022 – توسط سارا مک کوات، دانشگاه واشنگتن
محققان دانشگاه واشنگتن راکتوری ساخته اند که می تواند مواد شیمیایی را که به سختی از بین می روند، کاملاً تجزیه کند. در اینجا دو راکتور قبل از مونتاژ نشان داده شده است. اعتبار: ایگور نووسلوف/دانشگاه واشنگتن
“مواد شیمیایی همیشگی” که به دلیل توانایی آنها در ماندگاری در آب و خاک نامگذاری شده است، دسته ای از مولکول ها هستند که همیشه در زندگی روزمره ما وجود دارند، از جمله بسته بندی مواد غذایی و محصولات پاک کننده خانگی. از آنجایی که این مواد شیمیایی تجزیه نمی‌شوند، در آب و غذای ما قرار می‌گیرند و می‌توانند منجر به اثرات سلامتی مانند سرطان یا کاهش باروری شوند.
ماه گذشته، آژانس حفاظت از محیط زیست ایالات متحده پیشنهاد داد که به دو مورد از رایج ترین مواد شیمیایی برای همیشه، معروف به PFOA و PFOS، یک نام “superfund” بدهد که ردیابی آنها و برنامه ریزی اقدامات پاکسازی را برای EPA آسان تر می کند.
اگر مواد شیمیایی برای همیشه در این فرآیند از بین بروند، واضح است که پاکسازی موثرتر خواهد بود، و بسیاری از محققان در حال بررسی چگونگی تجزیه آنها هستند. اکنون تیمی از محققان دانشگاه واشنگتن راه جدیدی برای از بین بردن PFOA و PFOS دارند. محققان راکتوری ساختند که می‌تواند مواد شیمیایی را که به سختی از بین می‌روند را با استفاده از “آب فوق بحرانی” که در دما و فشار بالا تشکیل می‌شود، به طور کامل تجزیه کند. این فناوری می‌تواند به تصفیه زباله‌های صنعتی، از بین بردن مواد شیمیایی غلیظ برای همیشه در محیط زیست و مقابله با ذخایر قدیمی، مانند مواد شیمیایی برای همیشه در فوم آتش‌نشانی، کمک کند.
این تیم این یافته ها را در مجله مهندسی شیمی منتشر کرد.
نشریه با نویسنده ارشد Igor Novosselov، دانشیار پژوهشی مهندسی مکانیک UW صحبت کرد تا از جزئیات مطلع شود.
آب فوق بحرانی چیست و چگونه می تواند این مولکول ها را از بین ببرد؟
ایگور نووسلوف: راکتور ما اساساً آب را خیلی سریع گرم می کند، اما آب را متفاوت از زمانی که آن را برای پاستا می جوشانید، گرم می کند. به طور معمول، وقتی دما را بالا می برید، آب می جوشد و تبدیل به بخار می شود. از آنجا، آب و بخار گرمتر از 100 درجه سانتیگراد (212 فارنهایت) نمی شوند.
اما اگر آب را فشرده کنید، می توانید این تعادل را تغییر دهید و آن نقطه جوش را در دماهای بسیار گرمتر به دست آورید. اگر فشار را افزایش دهید، دمای جوش افزایش می یابد. در یک نقطه، آب از مایع به بخار تبدیل نمی شود. در عوض، شما به نقطه بحرانی برخورد خواهید کرد که در آن آب به حالت متفاوتی از ماده می رسد که به آن فاز فوق بحرانی می گویند. در اینجا آب مایع یا گاز نیست. این چیزی بینابینی است و خطوط در آنجا به نوعی مبهم هستند. این چیزی شبیه پلاسما است که در آن مولکول های آب مانند ذرات یونیزه می شوند. این مولکول های نیمه تفکیک شده در دماهای بالا و سرعت بالا به اطراف جهش می کنند. این یک محیط بسیار خورنده و شیمیایی تهاجمی است که در آن مولکول های آلی نمی توانند زنده بمانند.
مواد شیمیایی که برای همیشه در آب معمولی زنده می مانند، مانند PFOS و PFOA، می توانند در آب فوق بحرانی با سرعت بسیار بالایی تجزیه شوند. اگر شرایط را درست کنیم، این مولکول های مقاوم می توانند به طور کامل از بین بروند و هیچ محصول واسطه ای باقی نگذارند و فقط مواد بی ضرری مانند دی اکسید کربن، آب و نمک های فلوراید تولید کنند که اغلب به آب شهری و خمیردندان اضافه می شود.
چگونه شروع به طراحی این راکتور کردید؟
نووسلوف: ما در ابتدا آن را برای از بین بردن عوامل جنگ شیمیایی طراحی کردیم که از بین بردن آنها نیز واقعاً سخت است. ساخت رآکتور پنج سال طول کشید. سؤالات مهمی وجود داشت از جمله، چگونه می‌توانیم شرایط را در آن فشار نگه داریم؟ در داخل راکتور، فشار 200 برابر بیشتر از سطح دریا است. سوال دیگری که داشتیم این بود: چگونه اطمینان حاصل کنیم که راکتور مشتعل شده و در دمای تعیین شده در حالت پیوسته کار می کند؟
راکتور چگونه کار می کند؟
همه چیز داخل یک لوله ضخیم فولادی ضد زنگ است که حدود یک فوت طول و یک اینچ قطر دارد. ما می‌توانیم دمای داخل را تغییر دهیم تا بفهمیم برای از بین بردن کامل یک ماده شیمیایی چقدر باید گرم شود. برخی از مواد شیمیایی به 400 درجه سانتیگراد (752 فارنهایت)، برخی 650 درجه سانتیگراد (1202 فارنهایت) نیاز دارند.
در بالای راکتور، ما به طور مداوم سوخت آزمایشی، هوا و مواد شیمیایی را که می‌خواهیم نابود کنیم، به عنوان مثال PFOS، به آب فوق بحرانی تزریق می‌کنیم. سوخت گرمای لازم را برای فوق بحرانی ماندن مخلوط فراهم می کند و PFOS به سرعت با این محیط تهاجمی مخلوط می شود. به طور کلی زمان واکنش کمتر از یک دقیقه است. در انتهای راکتور، مخلوط خنک می شود تا هم مایع و هم تخلیه گاز ایجاد شود. ما می توانیم آنچه را در فاز مایع و گاز وجود دارد تجزیه و تحلیل کنیم تا اندازه گیری کنیم که آیا ماده شیمیایی را از بین برده ایم یا خیر.
چی پیدا کردید؟
ما آزمایش مشابهی را با PFOS و PFOA انجام دادیم، زیرا هر دو توسط EPA تنظیم می شوند. دیدیم که PFOA در شرایط فوق بحرانی خفیف (حدود 400 درجه سانتیگراد یا 750 فارنهایت) از بین می رود، اما PFOS اینطور نیست. طول کشید تا به دمای 610 درجه سانتیگراد (1130 فارنهایت) رسیدیم تا شاهد نابودی PFOS باشیم. در آن دما، PFOS و تمام واسطه ها در عرض 30 ثانیه نابود شدند.
در دماهای پایین‌تر، آزمایش‌های PFOS تشکیل انواع مولکول‌های واسطه، از جمله PFOA را نشان داد. برخی از این محصولات تجزیه در فاز مایع بیرون آمدند، به این معنی که می‌توانند در فاضلاب در محل‌های تولیدی که برای همیشه از مواد شیمیایی استفاده می‌کنند، وجود داشته باشند. اما سایر واسطه ها در فاز گازی در حال بیرون آمدن هستند، که مشکل ساز است زیرا انتشار گاز معمولاً تنظیم نمی شود. این مولکول ها حاوی عنصر فلوئور هستند و می دانیم که این نوع گازها به اثرات گلخانه ای کمک می کنند. در حال حاضر، ما راهی برای نظارت بر آلودگی گاز در زمان واقعی نداریم و نمی دانیم چه مقدار یا حتی ترکیب شیمیایی دقیق آنها را تولید خواهیم کرد.
آینده این پروژه چیست؟
ما چند مرحله بعدی داریم. ما از راکتور استفاده کرده‌ایم تا ببینیم که این رآکتور چقدر مواد شیمیایی دیگر را به جز PFOS و PFOA از بین می‌برد. ما همچنین در حال ارزیابی این هستیم که این فناوری چقدر می تواند برای سناریوهای دنیای واقعی کار کند. برای مثال، احتمالاً نمی توانید با کل اقیانوس اینگونه رفتار کنید. اما احتمالاً می‌توانیم از این برای درمان مشکلات موجود، مانند زباله‌های شیمیایی برای همیشه در سایت‌های تولیدی استفاده کنیم.
آلودگی شیمیایی Forever یک مشکل بزرگ است و از بین نخواهد رفت. ما هیجان زده هستیم که روی آن کار کنیم و با تنظیم کننده ها و گروه های پیشرو در دانشگاه و صنعت برای یافتن راه حل همکاری کنیم.
