Nieuwe methode om chemicaliën voor altijd af te breken maakt gebruik van nanodeeltjes en ultrageluid

Wat hebben blusschuim, antiaanbakpannen, waterafstotende textiel en pesticiden met elkaar gemeen? Ze bevatten allemaal per- en polyfluoroalkylstoffen, of PFAS: door de mens gemaakte chemicaliën die niet op natuurlijke wijze afbreken. Het is dan ook geen wonder dat PFAS nu de bodem en het water verontreinigen en ook in de lichamen van mensen en dieren kunnen worden aangetroffen. De gevaren zijn bekend: deze eeuwige chemicaliën kunnen de lever beschadigen, hormonale stoornissen veroorzaken en kanker veroorzaken, om maar een paar van hun effecten te noemen.

Onderzoekers in de groep onder leiding van Salvador Pané i Vidal, hoogleraar aan het Instituut voor Robotica en Intelligente Systemen van de ETH Zürich, hebben een nieuwe methode om een ​​subgroep van PFAS af te breken, genaamd perfluoroctaansulfonaten, of PFOS. Vanwege hun toxiciteit zijn PFOS nu streng beperkt of zelfs verboden. De studie is gepubliceerd in het tijdschrift Kleine wetenschap.

“Het grootste probleem is dat de moleculen bestaan ​​uit lange koolstofketens omgeven door fluoratomen. Deze koolstof-fluorbinding is zo sterk dat je veel energie nodig hebt om hem te verbreken,” zegt Andrea Veciana, een doctoraatsstudent van Pané i Vidal.

Moleculen afbreken met ultrageluid en nanodeeltjes

Om de PFOS-moleculen af ​​te breken en ze zo in water af te breken, gebruikten de onderzoekers voor het eerst piëzokatalyse. “Piëzo” verwijst naar piëzo-elektriciteit, een elektrische lading die ontstaat tijdens mechanische vervorming, en “katalyse” betekent het versnellen van een chemische reactie met geschikte stoffen.

“We hebben nanomaterialen ontwikkeld die piëzo-elektrisch zijn. Voor het blote oog lijkt dit materiaal een beetje op zand,” zegt Veciana. In het ultrasoonbad worden deze deeltjes elektrisch geladen en fungeren als katalysator. Pané i Vidal voegt toe: “Het is deze elektrische lading die de hele reactieketen in gang zet en de PFOS-moleculen stukje bij beetje afbreekt. Daarom worden de nanodeeltjes piëzo-elektrisch genoemd.”

Om de PFOS-concentratie in hun monsters te meten, werkten de onderzoekers samen met Samy Boulos, analytisch specialist van het Laboratory of Food Biochemistry. Met behulp van een massaspectrometer konden de onderzoekers aantonen dat 90,5% van de PFOS-moleculen werd afgebroken.

“We moeten er echter wel bijzeggen dat we met een zeer hoge concentratie van 4 milligram per liter werkten”, aldus Veciana.

“In de natuur, zoals in meren en rivieren, is de PFOS-concentratie minder dan 1 microgram per liter. En hoe lager de concentratie, hoe langer het duurt voordat de PFOS wordt afgebroken.”

Sommige technologieën die momenteel in ontwikkeling zijn, concentreren eerst het water en vernietigen vervolgens de PFOS. Dit zou ook een belangrijke stap zijn in de piëzokatalyse, een die geïmplementeerd zou moeten worden in een specifieke toepassing, zoals een effluent van de chemische industrie.

Beter dan eerdere methoden

Het potentieel van de nieuwe methode wordt duidelijk als we de bestaande opties voor het afbreken van PFAS in ogenschouw nemen. “Eén methode is thermische ontleding, maar daarvoor is een temperatuur van meer dan 1.000 graden Celsius nodig, wat het zeer energie-intensief maakt,” zegt Veciana.

PFAS kan ook worden afgebroken door fotokatalyse. Dit proces is vergelijkbaar met piëzokatalyse, maar gebruikt licht voor activering van de katalysator in plaats van mechanische energie. Het grootste probleem met deze methode is dat het doel in de praktijk is om afvalwater te behandelen, en omdat afvalwater troebel is, is er een lage lichtpenetratie.

Veciana noemt een derde methode: “Er is ook absorptie, waarbij je een soort spons gebruikt om de verontreinigende stoffen uit het water te zuigen. Maar dit verplaatst het probleem alleen maar van de ene plek naar de andere; nu heb je een oplossing nodig voor de met PFAS doordrenkte spons.”

De nadelen van de bestaande methoden waren een van de redenen dat de ETH-onderzoekers op zoek gingen naar een nieuwe manier om PFAS af te breken. Piëzokatalyse heeft als voordeel dat het met verschillende bronnen van mechanische energie kan werken.

“Als water gezuiverd moet worden in rioolwaterzuiveringsinstallaties en er is al turbulentie in het water, dan kan die energie wellicht worden gebruikt om de PFAS erin af te breken”, aldus Veciana.

Samen PFAS bestrijden

Helaas is wat de onderzoekers in het laboratorium hebben bereikt met watermonsters van 50 milliliter nog niet in de praktijk gebracht. “De schaalbaarheid van onze methode is een van de grootste uitdagingen”, zegt Pané i Vidal.

“We zijn er echter in geslaagd aan te tonen dat piëzokatalyse werkt als een methode voor de afbraak van PFOS en voordelen heeft ten opzichte van eerdere methoden.” Bovendien kan hun methode niet alleen worden toegepast op PFOS, maar op alle andere PFAS en microverontreinigingen.

Over het algemeen moeten methoden voor het afbreken van PFAS worden gebruikt voordat de chemicaliën in het milieu terechtkomen, d.w.z. in industriële afvalwaterzuiveringsinstallaties of op verzameld landbouwwater voor hergebruik. “Bedrijven moeten alle mogelijke maatregelen nemen om ervoor te zorgen dat het water dat ze in het milieu lozen zo schoon mogelijk is”, zegt Pané i Vidal.

Veciana voegt toe: “PFAS zijn een wereldwijd probleem dat allereerst moet worden aangepakt door beleidswijzigingen en meer transparantie.” Er is al veel media-aandacht voor een PFAS-verbod en strengere regels om de industrie te dwingen transparanter te zijn over het gebruik van deze chemicaliën.

Veciana zegt: “Toch is het belangrijk om te blijven innoveren door middel van onderzoek, zodat we de bestaande blootstelling aan PFAS zoveel mogelijk kunnen verminderen en verhelpen.”