Gli ingegneri chimici della Rice University hanno trovato un catalizzatore efficiente per distruggere i prodotti chimici PFAS "per sempre" dove meno se lo aspettavano.

"Era il controllo, ", ha affermato il professor Michael Wong, riferendosi alla parte di un esperimento scientifico in cui i ricercatori non si aspettano sorprese. Il gruppo di controllo è il metro di giudizio della scienza sperimentale, la linea di base con cui vengono misurate le variabili.

"Non l'abbiamo ancora testato su vasta scala, ma nei nostri test da banco in laboratorio, potremmo sbarazzarci del 99% di PFOA in quattro ore, "Wong ha detto del nitruro di boro, il catalizzatore attivato dalla luce in cui lui e i suoi studenti si sono imbattuti e hanno trascorso più di un anno a testarlo.

Il loro studio, che è disponibile online sulla rivista dell'American Chemical Society Lettere di scienze e tecnologie ambientali , trovato il nitruro di boro distrutto PFOA (acido perfluoroottanoico) a una clip più veloce di qualsiasi fotocatalizzatore precedentemente riportato. Il PFOA è uno dei PFAS più diffusi (sostanze perfluoroalchiliche e polifluoroalchiliche), una famiglia di più di 4 persone, 000 composti sviluppati nel XX secolo per realizzare rivestimenti per indumenti impermeabili, imballaggio alimentare, padelle antiaderenti e innumerevoli altri usi. I PFAS sono stati soprannominati "prodotti chimici per sempre" per la loro tendenza a indugiare nell'ambiente, e gli scienziati li hanno trovati nel sangue di quasi tutti gli americani, compresi i neonati.

I catalizzatori sono la specialità di Wong. Sono composti che provocano reazioni chimiche senza prendere parte o consumarsi a tali reazioni. Il suo laboratorio ha creato catalizzatori per distruggere una serie di inquinanti, compresi TCE e nitrati, e ha affermato di aver incaricato il suo team di trovare nuovi catalizzatori per affrontare la PFAS circa 18 mesi fa.

"Abbiamo provato molte cose, " ha detto Wong, presidente del Dipartimento di Ingegneria Chimica e Biomolecolare della Brown School of Engineering di Rice. "Abbiamo provato diversi materiali che pensavo avrebbero funzionato. Nessuno di loro ha funzionato. Questo non doveva funzionare, e così è stato".

Il catalizzatore, polvere di nitruro di boro, o BN, è un minerale sintetico disponibile in commercio ampiamente utilizzato nel trucco, prodotti per la cura della pelle, paste termiche che raffreddano i chip dei computer e altri prodotti di consumo e industriali.

La scoperta è iniziata con dozzine di esperimenti falliti su catalizzatori PFAS più probabili. Wong ha detto di aver chiesto a due membri del suo laboratorio, lo studente laureato in visita Lijie Duan dell'Università cinese Tsinghua e lo studente laureato Rice Bo Wang, fare esperimenti finali su una serie di composti candidati prima di passare ad altri.

"C'era la letteratura che suggeriva che uno di loro potesse essere un fotocatalizzatore, il che significa che sarebbe attivato dalla luce di una particolare lunghezza d'onda, " Ha detto Wong. "Non usiamo la luce molto spesso nel nostro gruppo, ma ho detto, 'Andiamo avanti e scarabocchiamo con esso.' Il sole è energia gratuita. Vediamo cosa possiamo fare con la luce".

Come prima, nessuno dei gruppi sperimentali ha funzionato bene, ma Duan ha notato qualcosa di insolito con il controllo del nitruro di boro. Lei e Wang hanno ripetuto gli esperimenti numerose volte per escludere errori imprevisti, problemi con la preparazione del campione e altre spiegazioni per lo strano risultato. Continuavano a vedere la stessa cosa.

"Ecco l'osservazione, " Ha detto Wong. "Prendi una borraccia d'acqua che contiene del PFOA, ci metti la polvere BN, e lo sigilli. Questo è tutto. Non è necessario aggiungere idrogeno o spurgarlo con ossigeno. È solo l'aria che respiriamo, l'acqua contaminata e la polvere di BN. Lo esponi alla luce ultravioletta, specificamente alla luce UV-C con una lunghezza d'onda di 254 nanometri, torna tra quattro ore, e il 99% del PFOA è stato trasformato in fluoro, anidride carbonica e idrogeno".

Il problema era la luce. La lunghezza d'onda di 254 nanometri, che è comunemente usato nelle lampade germicide, è troppo piccolo per attivare il bandgap nel nitruro di boro. Mentre questo era indiscutibilmente vero, gli esperimenti suggerivano che non poteva esserlo.

"Se togli la luce, non ottieni catalisi, " disse Wong. "Se lasci fuori la polvere BN e usi solo la luce, non ottieni una reazione."

Quindi il nitruro di boro stava chiaramente assorbendo la luce e catalizzando una reazione che ha distrutto il PFOA, nonostante il fatto che avrebbe dovuto essere otticamente impossibile per il nitruro di boro assorbire la luce UV-C a 254 nanometri.

"Non dovrebbe funzionare, " disse Wong. "Ecco perché nessuno ha mai pensato di cercare questo, ed è per questo che ci è voluto così tanto tempo per pubblicare i risultati. Avevamo bisogno di una sorta di spiegazione per questa contraddizione".

Wong ha detto che Duan, Wang e coautori hanno offerto una spiegazione plausibile nello studio.

"Abbiamo concluso che il nostro materiale assorbe la luce a 254 nanometri, ed è a causa di difetti atomici nella nostra polvere, " ha detto. "I difetti cambiano il bandgap. Lo rimpiccioliscono abbastanza da permettere alla polvere di assorbire luce quanto basta per creare le specie ossidanti reattive che masticano il PFOA".

Wong ha affermato che saranno necessarie ulteriori prove sperimentali per confermare la spiegazione. Ma alla luce dei risultati con PFOA, si chiedeva se il catalizzatore del nitruro di boro potesse funzionare anche su altri composti PFAS.

"Così ho chiesto ai miei studenti di fare un'altra cosa, " Ha detto Wong. "Li ho fatti sostituire il PFOA nei test con GenX".

GenX è anche una sostanza chimica per sempre. Quando il PFOA è stato bandito, GenX è stato uno dei prodotti chimici più utilizzati per sostituirlo. E un numero crescente di prove suggerisce che GenX potrebbe essere un problema ambientale altrettanto grande del suo predecessore.

"È una storia simile a quella del PFOA, " Ha detto Wong. "Stanno trovando GenX ovunque ora. Ma una differenza tra i due è che le persone hanno precedentemente riportato un certo successo con i catalizzatori per la degradazione del PFOA. Non hanno per GenX."

Wong e colleghi hanno scoperto che la polvere di nitruro di boro distrugge anche GenX. I risultati non sono stati buoni come con il PFOA:con due ore di esposizione alla luce di 254 nanometri, BN ha distrutto circa il 20% del GenX in campioni di acqua. Ma Wong ha detto che il team ha idee su come migliorare il catalizzatore per GenX.

Ha affermato che il progetto ha già attirato l'attenzione di diversi partner industriali nel Centro di ricerca ingegneristica sui nanosistemi di riso per il trattamento delle acque abilitato per le nanotecnologie (NEWT). NEWT è un centro di ricerca ingegneristica interdisciplinare finanziato dalla National Science Foundation per sviluppare sistemi di trattamento delle acque off-grid che proteggano le vite umane e supportino lo sviluppo economico sostenibile.

"La ricerca è stata divertente, un vero lavoro di squadra, " ha detto Wong. "Abbiamo depositato brevetti su questo, e l'interesse di NEWT per ulteriori test e sviluppo della tecnologia è un grande voto di fiducia."