7 Minutės
Įsivaizduokite kempinę, kuri per kelias minutes pašalina iš vandens dešimtmečius likusius pramoninius teršalus. Tokį teiginį pateikia tarptautinė tyrėjų grupė, sukūrusi naują filtravimo medžiagą, orientuotą į PFAS — įsisenėjusias, vadinamąsias „amžinas“ chemines medžiagas, kurios išlieka gruntiniame vandenyje, vandentiekio tiekime ir dirvožemyje.
Kaip filtras veikia ir kodėl tai svarbu
PFAS: chemija, panaudojimas ir pavojai
PFAS (per- ir polifluoroalkilo junginiai) beveik šimtmetį industrijoje buvo vertinami dėl savo atsparumo vandeniui, riebalams ir ugniai. Būtent ši atsparumo savybė juos paverčia persistentiškais teršalais: anglies–fluoro ryšys yra vienas stipriausių chemijoje, todėl daug PFAS molekulių suyra per šimtmečius arba dar ilgiau. Kai kurie gerai ištirti nariai — PFOA ir PFOS — siejami su vėžiu, širdies ir kraujagyslių ligomis bei reprodukcine žala. Tuo pačiu metu egzistuoja tūkstančiai kitų PFAS variantų, kurių poveikis sveikatai tebėra prastai aprašytas.
PFAS aptinkami plačiai: priemonių apsauga nuo tepalų ar dėmių, putų gesinimo priemonės, dangos pramonėje ir daugelis kitų taikymų. Dėl to teršalai patenka į nuotekas, gruntinį vandenį ir vietinius šaltinius, keliančius grėsmę geriamam vandeniui ir ekosistemoms.
LDH filtravimo medžiaga: sudėtis ir veikimo principas
Tyrėjų grupė, kuriai vadovauja inžinierius Youngkun Chung iš Rice universiteto, sukūrė sluoksniuotą dvigubo hidroksido medžiagą (angl. layered double hydroxide, LDH), sudarytą iš vario ir aliuminio, derinto su nitratu. Ši LDH struktūra susidaro iš susluoksniuotų plonų lakštų, kuriuose yra nedidelė krūvio disbalanso charakteristika. Toks disbalansas sukuria aktyviasis vietas — paviršinius centrus, kurie stipriai traukia ir tvirtai sulaiko PFAS molekules.
Laboratoriniais bandymais medžiaga adsorbojo didžiulius PFAS kiekius neįprastai dideliu greičiu — maždaug 100 kartų greičiau nei įprasti aktyvintos anglies filtrai ir gerokai efektyviau lyginant su kitais išbandytais adsorbentais. Trumpa pastaba. Rezultatas: užteršti upių, vandentiekio ir nuotekų mėginiai per kelias minutes tapo neaptinkami pagal PFOA kiekį, o ne per valandas ar dienas.
Kinetika, adsorbcija ir selektyvumas
Greitasis šio LDH veikimas priklauso nuo kelių veiksnių: paviršiaus aktyviųjų vietų tankio, poringumo, joninio mainų gebos ir paviršinio krūvio vietų pasiekiamumo. Sluoksniuotos lakštinės struktūros leidžia greitai difuzuoti molekulėms iki aktyvių centrų, o atrakcionas tarp fluorintųjų grandinių ir priešingų paviršiaus centrų greitina surinkimą. Be to, LDH parodo skirtingą selektyvumą PFAS grandinės ilgiui — trumpesnės grandinės PFAS gali būti adsorbuojamos skirtingai palyginti su ilgomis, todėl pilnu mastu reikalingi išsamūs izoterminiai ir kinetiniai tyrimai.
Praktinėje aplinkoje svarbu atsižvelgti ir į konkurenciją dėl vietų: natūralus vanduo turi ištirpusias druskas, organinius junginius ir natūralų organinį medžiaginį (NOM) turinį, kurie gali konkuruoti dėl adsorbcijos vietų arba keisti efektyvumą. Tyrimai laboratorijoje su tikrais vandens mėginiais buvo paskatinantys, tačiau platesni tyrimai su platesniu matrico variantu yra reikalingi siekiant įvertinti tikrąsias eksploatacines sąlygas.
Privalumai prieš tradicinius metodus
Palyginti su aktyvintos anglies filtrais, LDH siūlo kelis potencialius privalumus:
- Žymiai greitesnis adsorbcijos greitis, mažinantis reikalingą kontaktinį laiką.
- Didesnė surinkimo efektyvumas esant žemesnėms koncentracijoms, kurios dažnai būdingos aplinkos vandenims.
- Galimybė regeneruoti ir cheminiu būdu skaidyti PFAS grandines, o ne vien tik juos koncentruoti.
Regeneravimas ir sunaikinimas — ne tik surinkimas
Regeneracijos mechanizmas ir cheminis skaidymas
Daugelis esamų sprendimų keičia vieną problemą kitu: anglies filtrai kaupia PFAS, tačiau tada tampa užterštu atliekų šaltiniu, kurį sudėtinga saugiai sunaikinti. Ši LDH sistema eina kita kryptimi. Kai adsorbcijos vietos prisotinamos, mokslininkai šildo medžiagą ir prideda kalcio karbonatą. Toks derinys regeneruoja LDH — atkuria adsorbcines vietas, todėl medžiaga gali būti pakartotinai naudojama — ir tuo pačiu metu pašalina fluoruotas grandines iš sugautų molekulių, ardydamas PFOA karkasą, o ne tik izoliuodamas jį.
Po šio cheminio apdorojimo lieka fluoro ir kalcio junginys — stabilus fluorido‑kalcio residuumas. Rice universiteto inžinierius Michael Wong žurnalistams (pvz., The Guardian) nurodė, kad šis likutis gali būti saugiai šalinamas į sąvartyną, o tai sumažina antrinės taršos riziką palyginti su prastos būklės anglies medija.
Praktiniai regeneracijos aspektai
Regeneracijos efektyvumas priklauso nuo kelių parametrų: temperatūros, kalcio karbonato kiekio, reikalingo ciklų skaičiaus regeneracijai iki pirminės talpos atstatymo, ir nuo to, kaip stabilus yra fluoro‑kalcio residuumas per ilgą laiką. Be to, svarbu įvertinti, kiek kartų medžiaga gali būti regeneruota prieš fizinį jos nusidėvėjimą arba struktūrinį pakeitimą, kuris mažintų adsorbcijos pajėgumą.
Gyvavimo ciklo (LCA — life cycle assessment) analizė yra būtina siekiant palyginti bendrą ekologinį pėdsaką su tradiciniais metodais: reikia įvertinti įsigijimo energiją, gamybos emisijas, regeneracijos procesų energijos sąnaudas, transportavimo ir galutinio šalinimo poveikį bei bendrą atliekų kiekį.
Iššūkiai diegiant mastu
Kol kas eksperimentai atlikti laboratoriniu mastu; tai reiškia, kad kyla keli klausimai prieš diegiant LDH į realias vandens valymo įmones:
- Kaina: ar LDH gamyba ir atnaujinimo ciklai bus ekonominiai palyginus su pažangiais aktyvintos anglies arba jonų mainų sistemomis?
- Ilgaamžiškumas: kiek regeneracijos ciklų gali atlaikyti medžiaga prieš prarandant efektyvumą?
- Visapusiškas poveikis: kaip LDH veikia su skirtingomis PFAS formomis, ypač mažos molekulinės masės arba labai poliarizuotomis rūšimis?
- Atliekų šalinimas: nors fluoro‑kalcio liekanos atrodo stabilios, reikalingi ilgalaikiai saugumo vertinimai bei atitiktis atliekų tvarkymo reglamentams.
Be to, reikia ištirti, kaip LDH elgsis sudėtingesniuose vandenyse: ar natūralus organinis medžiaginis kiekis, kiti anijonai ar metalai mažins efektyvumą? Ar reikalingas pirminis vandens paruošimas? Tokie klausimai yra įprasti pereinant nuo laboratorijos prie piloto ar pramoninių sistemų.
Valstybės, pramonės ir mokslo vaidmenys
Norint užtikrinti saugų ir operatyvų naujos technologijos diegimą, reikės glaudaus bendradarbiavimo tarp politikos formuotojų, vandens tiekimo įmonių, atliekų tvarkymo institucijų ir mokslininkų. Veiksminga strategija galėtų apimti:
- Nepriklausomus veiklos vertinimus ir patikimumo testus realiose sąlygose;
- pilotinius projektus regioniniuose vandens valyklų tinkluose, siekiant išbandyti technologiją skirtingose vandens matricose;
- reglamentų atnaujinimą, kad būtų aiškiai apibrėžti saugaus šalinimo standartai fluoro‑kalcio residuams;
- viešinimą ir bendruomenių įtraukimą, ypač tose vietovėse, kur PFAS jau yra problema geriamajame vandenyje.
Galimos aplinkos ir visuomenės naudos
Jei LDH technologija pasiteisins mastu, potencialios naudos yra reikšmingos. Greitesnis adsorbcijos greitis reiškia trumpesnį valymo laiką ir mažesnį įrangos dydį; regeneruojama medžiaga mažina nuolatinio sorbento pirkimo poreikį ir susijusias atliekas; cheminis skaidymas gali sumažinti ilgalaikę saugumo riziką, susijusią su PFAS kaupimu sąvartynuose ar transportuojamomis užterštomis medžiagomis.
Tokios technologijos pažanga taip pat gali turėti platesnį poveikį politikai ir pramonei, paskatindama griežtesnį PFAS reguliavimą, didesnį prevencinį požiūrį į cheminių medžiagų naudojimą ir efektyvesnį pavojingų medžiagų valdymą.
Išvados ir tolesni žingsniai
Nors kol kas LDH sprendimas dar nėra parengtas plataus masto taikymui, preliminarūs rezultatai — greitas ir efektyvus adsorbcijos greitis bei regeneracijos su cheminiu skaidymu galimybė — suteikia pagrindo optimizmui ir tolesniems bandymams. Reikalingi papildomi tyrimai, įskaitant ilgalaikius ciklinius bandymus, piloto diegimus skirtingose geografinėse sąlygose ir pilnus gyvavimo ciklo vertinimus.
Politikai, tiekėjo įmonės ir tyrėjai turėtų bendradarbiauti projektuose, skirtuose patvirtinti veikimą didesniu mastu, vykdyti pilotines programas ir nustatyti saugumo bei šalinimo reikalavimus gydymo šalutiniams produktams. Bendruomenėms, susiduriančioms su PFAS užterštumu savo vandenyje, laukti dešimtmečių dėl saugesnių sprendimų nebepriimtina; tokios inovacijos reikalauja skubių, kruopščių bandymų ir, jei rezultatai patvirtinami, greitos diegimo priemonių.
Santrauka — pagrindiniai punktai:
- LDH dariniai (vario‑aliuminio nitrato pagrindu) potencialiai adsorbuoja PFAS žymiai greičiau nei tradicinė aktyvinta anglis.
- Medžiaga gali būti regeneruota, o regeneracijos metu vyksta cheminis PFAS grandinių skaidymas, paliekant fluoro‑kalcio liekanas.
- Reikia plačių masto bandymų, gyvenimo ciklo vertinimų ir reglamentų atnaujinimo dėl šalinimo bei saugumo.
- Bendradarbiavimas tarp mokslininkų, pramonės ir valdžios institucijų yra būtinas technologijos patvirtinimui ir diegimui.
LDH filtravimo medžiagos iliustracija.
Šaltinis: sciencealert
Palikite komentarą