טכניקת דה-פלואור בטמפרטורת החדר מציגה גישה מבטיחה לטיפול בחומרים פרפלואוריאלקיל.
חומרים פרפלואוריאלקיל (PFAS), הידועים בכינויים 'כימיקלים לנצח', מהווים סיכון הולך וגובר הן לסביבה והן לבריאות הציבור. פותחו בתחילה עבור טפלון בשנת 1938, PFAS ופולימרים פרפלורינים קשורים (PFs) מצאו שימוש נרחב בשל יציבותם המדהימה ועמידותם בפני חום ומים. מאפיינים אלה הפכו אותם לחיוניים במוצרים רבים, כולל כלי בישול, ביגוד וקצף כיבוי אש. עם זאת, עצם היציבות הזו הפכה לבעיה גדולה.
PFAS לא מתפרקים בקלות בסביבה, מה שמוביל להצטברותם במים, באדמה ואפילו בגופם של בני אדם, שם ידוע שהם גורמים להשפעות מסרטנות ולהפרעות הורמונליות. כיום ניתן למצוא כימיקלים אלו באספקת מי שתייה, מזון ואפילו באדמת אנטארקטיקה. למרות שיש תוכניות להפסיק את ייצור PFAS, הטיפול בהם נותר מאתגר מכיוון שהם מתפרקים רק בטמפרטורות העולה על 400 מעלות צלזיוס. כתוצאה מכך, כמויות מסוימות של מוצרים המכילות PFAS ו-PF מגיעות למזבלות, מה שעלול ליצור סיכוני זיהום עתידיים.
מחקר חדשני לדהפלורציה
כעת, שיטת דפלורציה בטמפרטורת החדר שהוצעה על ידי חוקרים מאוניברסיטת Ritsumeikan יכולה לחולל מהפכה בטיפול ב-PFAS. המחקר שלהם, שפורסם בכתב העת מהדורה בינלאומית של Angewandte Chemie, מפרט שיטה פוטו-קטליטית המשתמשת באור נראה לפירוק PFAS ופולימרים מופלרים אחרים (FPs) בטמפרטורת החדר ליוני פלואור. באמצעות שיטה זו, החוקרים השיגו 100% דה-פלואורינציה של perfluorooctanesulfonate (PFOS) תוך 8 שעות בלבד מחשיפה לאור.
"המתודולוגיה המוצעת מבטיחה לפירוק יעיל של חומרים פרפלואוריאלקיל מגוונים בתנאים עדינים, ובכך תורמת משמעותית להקמת חברה בת קיימא למיחזור פלואור", אומר פרופסור יואיצ'י קובאישי, המחבר הראשי של המחקר.
פרטים על השיטה הפוטוקטליטית
השיטה המוצעת כוללת הקרנת אור LED גלוי על גבי ננו-גבישים של קדמיום גופרתי (CdS) וננו-גבישי CdS (Cu-CdS) מסוממים בנחושת עם ליגנים משטחים של מרקפטופרופיוניים חוּמצָה (MPA) בתמיסה המכילה PFAS, FPs ו-triethanolamine (TEOA). החוקרים מצאו כי הקרנת ננו-גבישים מוליכים למחצה אלו מייצרת אלקטרונים בעלי פוטנציאל הפחתה גבוה המפרקים את קשרי הפחמן-פלואור החזקים במולקולות PFAS.
עבור התגובה הפוטוקטליטית הוסיפו החוקרים 0.8 מ"ג של ננו-גבישים CdS (NCs), 0.65 מ"ג PFOS ו-20 מ"ג TEOA ל-1.0 מ"ל מים. לאחר מכן הם חשפו את הפתרון לאור LED של 405 ננומטר כדי ליזום את התגובה הפוטו-קטליטית. אור זה מעורר את הננו-חלקיקים, יוצר זוגות של חור אלקטרוני ומקדם את הסרת הליגנדים של MPA מפני השטח של הננו-גבישים, יוצר מקום למולקולות PFOS להיספג על פני השטח של NC.
כדי למנוע שילוב מחדש של אלקטרונים עם חורים, TEOA מתווסף כדי ללכוד את החורים ולהאריך את חיי האלקטרונים התגובתיים הזמינים לפירוק PFAS. אלקטרונים אלו עוברים תהליך רקומבינציה של אוגר, שבו אקציטון אחד (זוג אלקטרונים-חור) מתחבר מחדש באופן לא קרינתי, מעביר את האנרגיה שלו לאלקטרון אחר ויוצר אלקטרונים נרגשים מאוד. לאלקטרונים הנרגשים מאוד יש מספיק אנרגיה כדי להשתתף בתגובות כימיות עם מולקולות PFOS הנספגות על פני השטח NC. התגובות מובילות לשבירה של קשרי פחמן-פלואור (CF) ב-PFOS, וכתוצאה מכך להסרה של יוני פלואור ממולקולות ה-PFAS.
נוכחותם של אלקטרונים hydrated, שנוצרו על ידי ריקומבינציה אוגר, אושרה על ידי מדידות פוטוליזה של פלאש לייזר, אשר זיהו חולף מִין מבוסס על ספקטרום הקליטה על עירור דופק לייזר. יעילות הדפלורציה הייתה תלויה בכמות ה-NCs וה-TEOA ששימשו בתגובה ועלתה עם תקופת החשיפה לאור. עבור PFOS, יעילות הדפלורציה הייתה 55%, 70-80% ו-100% עבור הקרנת אור של 1, 2 ו-8 שעות, בהתאמה. באמצעות שיטה זו, החוקרים גם השיגו בהצלחה 81% דה-פלואורינציה של Nafion, פלואורפולימר, לאחר 24 שעות של הקרנת אור. Nafion נמצא בשימוש נרחב כממברנה לחילופי יונים באלקטרוליזה ובסוללות.
פלואור הוא מרכיב קריטי בתעשיות רבות, החל מתרופות ועד לטכנולוגיות אנרגיה נקייה. על ידי שחזור פלואור מפסולת PFAS, אנו יכולים להפחית את ההסתמכות על ייצור פלואור ולבסס תהליך מיחזור בר-קיימא יותר. "טכניקה זו תתרום לפיתוח טכנולוגיות מיחזור ליסודות פלואור, המשמשים בתעשיות שונות ותומכות בחברה המשגשגת שלנו", מסכם פרופ' קוביאשי.
המחקר מומן על ידי סוכנות המדע והטכנולוגיה של יפן, החברה היפנית לקידום המדע ואוניברסיטת קיושו.