Le "sostanze chimiche per sempre", così chiamate per la loro capacità di persistere nell'acqua e nel suolo, sono una classe di molecole sempre presenti nella nostra vita quotidiana, compresi gli imballaggi alimentari e i prodotti per la pulizia della casa. Poiché queste sostanze chimiche non si decompongono, finiscono nella nostra acqua e nel cibo e possono portare a effetti sulla salute, come il cancro o una diminuzione della fertilità.

Il mese scorso, l'Agenzia per la protezione ambientale degli Stati Uniti ha proposto di assegnare a due delle sostanze chimiche per sempre più comuni, note come PFOA e PFOS, una designazione "superfund", che renderebbe più facile per l'EPA rintracciarle e pianificare misure di pulizia.

Le pulizie sarebbero ovviamente più efficaci se le sostanze chimiche per sempre potessero essere distrutte nel processo e molti ricercatori hanno studiato come scomporle. Ora un team di ricercatori dell'Università di Washington ha un nuovo modo per distruggere sia PFOA che PFOS. I ricercatori hanno creato un reattore in grado di abbattere completamente le sostanze chimiche difficili da distruggere utilizzando "acqua supercritica", che si forma ad alta temperatura e pressione. Questa tecnologia potrebbe aiutare a trattare i rifiuti industriali, distruggere per sempre le sostanze chimiche concentrate che già esistono nell'ambiente e affrontare i vecchi stock, come le sostanze chimiche per sempre nella schiuma antincendio.

Il team ha pubblicato questi risultati nel Chemical Engineering Journal .

UW News ha parlato con l'autore senior Igor Novosselov, un professore associato di ingegneria meccanica della UW, per conoscere i dettagli.

Cos'è l'acqua supercritica e come può distruggere queste molecole?

Igor Novosselov :Il nostro reattore fondamentalmente riscalda l'acqua molto velocemente, ma riscalda l'acqua in modo diverso rispetto a quando la fai bollire per la pasta. In genere, quando si alza la temperatura, l'acqua bolle e si trasforma in vapore. Da lì, l'acqua e il vapore non diventano più caldi di 100 gradi Celsius (212 F).

Ma se comprimi l'acqua, puoi spostare quell'equilibrio e ottenere quel punto di ebollizione a temperature molto più calde. Se si aumenta la pressione, la temperatura di ebollizione aumenta. Ad un certo punto, l'acqua non passerà da liquido a vapore. Invece, raggiungerai un punto critico in cui l'acqua raggiungerà un diverso stato della materia, chiamato fase supercritica. Qui l'acqua non è né un liquido né un gas. È una via di mezzo, e le linee sono un po' sfocate lì. È qualcosa come un plasma in cui le molecole d'acqua diventano come particelle ionizzate. Queste molecole parzialmente dissociate rimbalzano ad alte temperature e velocità elevate. È un ambiente molto corrosivo e chimicamente aggressivo in cui le molecole organiche non possono sopravvivere.

Le sostanze chimiche che sopravvivono per sempre nell'acqua normale, come PFOS e PFOA, possono essere scomposte in acqua supercritica a una velocità molto elevata. Se otteniamo le condizioni giuste, queste molecole recalcitranti possono essere completamente distrutte, senza lasciare prodotti intermedi e producendo solo sostanze innocue, come anidride carbonica, acqua e sali di fluoruro, che vengono spesso aggiunti all'acqua municipale e al dentifricio.

Come hai iniziato a progettare questo reattore?

Novosselov :Inizialmente l'abbiamo progettato per abbattere gli agenti di guerra chimica, che sono anche molto difficili da distruggere. Ci sono voluti cinque anni per realizzare il reattore. C'erano domande significative come, come manteniamo le cose a quella pressione? All'interno del reattore, la pressione è 200 volte superiore a quella del livello del mare. Un'altra domanda che ci siamo posti era:come ci assicuriamo che il reattore si accenda e funzioni a una temperatura designata in modalità continua? È diventato un progetto di ingegneria, ma dopotutto siamo ingegneri.

Come funziona il reattore?

Novosselov :Il tutto è all'interno di uno spesso tubo di acciaio inossidabile lungo circa un piede e un pollice di diametro. Possiamo variare la temperatura all'interno per capire quanto caldo dobbiamo andare per distruggere completamente una sostanza chimica. Alcuni prodotti chimici richiedono 400°C (752°F), altri 650°C (1202°F).

Nella parte superiore del reattore, iniettiamo continuamente carburante pilota, aria e la sostanza chimica che vogliamo distruggere, ad esempio:PFOS, nell'acqua supercritica. Il carburante fornisce il calore necessario affinché la miscela rimanga supercritica e il PFOS si miscela rapidamente con questo mezzo aggressivo. Nel complesso il tempo di reazione è inferiore a un minuto. Sul fondo del reattore, la miscela viene raffreddata per produrre sia scarico liquido che gassoso. Possiamo analizzare cosa c'è sia nella fase liquida che in quella gassosa per misurare se abbiamo distrutto la sostanza chimica.

Cosa hai trovato?

Novosselov :Abbiamo fatto lo stesso esperimento con PFOS e PFOA, perché entrambi sono regolati dall'EPA. Abbiamo visto che il PFOA scompare in condizioni supercritiche lievi (circa 400 gradi C, o 750 F), ma il PFOS no. Ci sono voluti fino a quando abbiamo raggiunto 610 gradi C (1130 F) per vedere la distruzione di PFOS. A quella temperatura, il PFOS e tutti gli intermedi sono stati distrutti, nel giro di 30 secondi.

A temperature più basse, gli esperimenti con PFOS hanno mostrato la formazione di una varietà di molecole intermedie, incluso il PFOA. Alcuni di questi prodotti di degradazione sono usciti in fase liquida, il che significa che potrebbero essere presenti nelle acque reflue nei siti di produzione che utilizzano per sempre sostanze chimiche. Ma altri intermedi stanno uscendo nella fase gassosa, il che è problematico perché le emissioni di gas non sono in genere regolamentate. Queste molecole contengono l'elemento fluoro e sappiamo che questi tipi di gas contribuiscono agli effetti serra. Al momento, non abbiamo un modo per monitorare l'inquinamento da gas in tempo reale e non sappiamo quanto produrremmo e nemmeno la loro esatta composizione chimica.

Quali sono le prospettive di questo progetto?

Novosselov :Abbiamo alcuni passaggi successivi. Abbiamo usato il reattore per vedere quanto bene distrugge altre sostanze chimiche per sempre oltre a PFOS e PFOA. Stiamo anche valutando quanto bene questa tecnologia potrebbe funzionare per scenari del mondo reale. Probabilmente non puoi trattare l'intero oceano in questo modo, per esempio. Ma potremmo eventualmente usarlo per trattare problemi esistenti, come i rifiuti chimici permanenti nei siti di produzione.

Per sempre la contaminazione chimica è un grosso problema e non andrà via. Siamo entusiasti di lavorarci su e collaborare con le autorità di regolamentazione e i gruppi leader nel mondo accademico e industriale per trovare la soluzione. + Esplora ulteriormente

L'EPA designerà le "sostanze chimiche per sempre" come sostanze pericolose