Daisuke Minakata con gli studenti nel suo laboratorio. Gli interessi di ricerca di Minakata includono lo sviluppo di strumenti computazionali per le tecnologie di trattamento dell'acqua e delle acque reflue. Credito:Michigan Technological University
Un nuovo strumento computazionale sviluppato presso la Michigan Technological University assiste nella ricerca urgente per eliminare le sostanze chimiche persistenti note come PFAS dalle forniture idriche della comunità.
A causa delle loro proprietà uniche, le sostanze per- e polifluoroalchiliche (PFAS) sono utilizzate ovunque nella vita quotidiana, da indumenti idrorepellenti e pentole antiaderenti a scatole per pizza, sciolina per sci, involucri per fast food e schiuma antincendio.
"I PFAS contengono un legame carbonio-fluoro molto forte, non facilmente degradabile dalle attività biologiche", ha affermato Daisuke Minakata, professore associato di ingegneria civile, ambientale e geospaziale. "I PFAS possono rimanere nell'ambiente quasi per sempre; quindi, sono chiamati 'i prodotti chimici per sempre". Finiscono per contaminare le nostre acque sotterranee e superficiali, i nostri corsi d'acqua e, infine, anche la nostra acqua potabile e i nostri sistemi ecologici, compresi i pesci d'acqua dolce."
Le industrie chimiche producono PFAS con proprietà diverse per prodotti commerciali specifici; ci sono circa 4.000-5.000 tipi conosciuti. Mentre gli impatti tossicologici sono ancora in gran parte sconosciuti, i PFAS sono potenzialmente cancerogeni, ha affermato Minakata. Piccole concentrazioni di PFAS sono state trovate nel sangue umano. Di conseguenza, lo stato del Michigan e la US Environmental Protection Agency (EPA) hanno recentemente iniziato a regolamentare i livelli di diversi tipi di PFAS ai sensi del Safe Water Drinking Act.
Rispondere ai PFAS rilevati nell'acqua è una sfida per le comunità del Michigan e altrove. "Alcune autorità idriche hanno già individuato la fonte della contaminazione da PFAS nella loro acqua potabile", ha affermato Minakata. "È un inizio. Tuttavia, a causa dei vincoli di bilancio affrontati da molti governi locali, semplicemente non possono permettersi di utilizzare tecnologie avanzate di trattamento delle acque per rimuovere il PFAS".
Il costo non è l'unico ostacolo. "Le autorità idriche locali stanno lottando per implementare le tecnologie disponibili per rimuovere i PFAS dalle fonti d'acqua", ha affermato Minakata. "Le attuali tecnologie, come l'adsorbimento di carbone attivo granulare e lo scambio ionico, offrono solo un trasferimento di fase di PFAS dall'acqua al mezzo di carbonio, che quindi richiede rigenerazione e sostituzione". Un'altra preoccupazione:"L'adsorbimento a base di carbonio funziona per i PFAS a catena più lunga, ma ora questi vengono gradualmente eliminati dal mercato", ha affermato. "Sono stati sostituiti da PFAS a catena più piccola. I PFAS a catena più piccola hanno meno problemi tossicologici, ma non sono ben rimossi dall'adsorbimento."
E c'è un altro problema. "La maggior parte delle tecnologie di riparazione attualmente disponibili non distruggono effettivamente i PFAS", ha affermato Minakata. "Invece, queste tecnologie trasferiscono PFAS da una fase all'altra. Sono convenientemente implementate per soddisfare le nuove normative EPA. Ma si ritorcerà contro. A meno che non distruggiamo completamente la struttura di PFAS, siamo destinati a incontrare più grandi, più problemi fondamentali."
Minakata ritiene che i PFAS finiranno nelle acque reflue e nel percolato delle discariche a causa delle attuali tecnologie di bonifica dei PFAS, anche se in concentrazioni molto basse. "I PFAS verranno quindi riportati nell'ambiente attraverso l'evaporazione, la deposizione atmosferica e i biosolidi. I biosolidi riciclati possono quindi essere utilizzati in agricoltura, quindi i PFAS potrebbero eventualmente contaminare le colture alimentari", ha affermato.
Un nuovo strumento computazionale per la riduzione avanzata
Anche così, Minakata vede una luce alla fine del tunnel PFAS. Il suo gruppo di ricerca ha recentemente pubblicato un articolo che delinea un nuovo strumento computazionale PFAS, "Reactivities of hydrated electrons with organic components in aqueous-phase advanced reductionprocesss" sulla rivista della Royal Society of Chemistry Environmental Science:Water Research &Technology.
Minakata e la studentessa laureata in Michigan Tech Rose Daily, una ricercatrice laureata in ingegneria ambientale alla National Science Foundation, hanno utilizzato la scienza dei dati e la chimica computazionale per studiare centinaia di sostanze chimiche organiche strutturalmente diverse per prevedere le reattività dei PFAS.
"I nostri metodi possono essere ampliati e utilizzati per schermare migliaia di PFAS", afferma Minakata. "La chiave è comprendere le reattività degli elettroni solvati con sostanze chimiche organiche e PFAS. Con questa conoscenza, è possibile selezionare un gran numero di contaminanti PFAS e dare loro la priorità per l'applicazione di processi di riduzione avanzati per degradare e, si spera, distruggere completamente il PFAS".
I risultati della ricerca di Minakata possono essere utilizzati anche per rafforzare e migliorare le attuali applicazioni di bonifica PFAS, comprese le tecniche di ossidazione elettrochimica.
Ricerca fondamentale:reattività degli elettroni
"Ho studiato l'ossidazione dei contaminanti organici nell'acqua e nelle acque reflue per 20 anni", ha detto Minakata. "Ogni PFAS è davvero unico e molte sono forme ossidate; quindi, l'ossidazione non distrugge bene i PFAS". I ricercatori di tutto il mondo stanno ora cercando tecnologie di riduzione basate sugli elettroni, ha affermato.
"La riduzione elettrochimica mediante elettroni è una tecnologia con risultati promettenti. I ricercatori stanno ora lavorando sui materiali degli elettrodi e sulla progettazione del reattore per migliorare l'efficienza per l'applicazione nel mondo reale. È qui che la mia ricerca fondamentale può fornire preziose informazioni sulle reattività degli elettroni che, fino ad ora, non sono stati ben compresi."
Attenzione suggerita:mira alle maggiori concentrazioni di PFAS
Ottieni il PFAS dove è più diffuso, afferma Minakata. "Invece di mirare a concentrazioni estremamente basse di PFAS nell'acqua, la ricerca e il risanamento dovrebbero identificare e mirare ai punti in cui le concentrazioni di PFAS sono relativamente alte", ha affermato. "Sarebbe un modo molto migliore per distruggere i PFAS in modo economico, efficace ed efficiente."
Successivamente, Minakata ei suoi collaboratori hanno in programma di studiare la distribuzione fisica di PFAS. "Vogliamo cercare hotspot PFAS, luoghi in cui possiamo applicare queste promettenti tecnologie, al fine di distruggere grandi quantità di PFAS in una sola volta."
PFAS presenta questioni di giustizia ambientale, ha osservato Minakata, la cui ricerca in questo campo è parzialmente supportata da Central Chemicals. "Invece di coprire i problemi del PFAS, come mettere piccoli cerotti su ferite gravi, noi ingegneri ambientali dobbiamo affrontare e risolvere il problema fondamentale del PFAS in collaborazione con scienziati, industrie, comunità e politici", ha affermato. + Esplora ulteriormente
