I ricercatori della Drexel University hanno trovato un modo per distruggere i composti tossici ostinatamente resilienti, minacciosamente soprannominato "prodotti chimici per sempre, " che hanno contaminato l'acqua potabile di milioni di persone negli Stati Uniti.

Queste sostanze chimiche, comunemente chiamato PFAS, un accorciamento di sostanze per- e polifluoroalchiliche, sono stati utilizzati per circa 60 anni come rivestimenti per padelle antiaderenti e indumenti impermeabili e nelle schiume antincendio. Negli ultimi due decenni le preoccupazioni sui rischi per la salute associati all'esposizione a PFAS, dal cancro e problemi alla tiroide, al basso peso alla nascita e all'ipertensione, hanno portato a divieti federali, mandati di monitoraggio e massicci sforzi di riparazione.

Ma eliminare queste sostanze chimiche, originariamente progettate per resistere alle alte temperature degli incendi alimentati dal carburante, dall'acqua potabile si è dimostrato quasi impossibile.

"I legami chimici carbonio-fluoruro nei composti PFAS sono estremamente stabili, quindi è impossibile abbattere questi composti utilizzando metodi di trattamento standard, " ha detto Christopher Sales, dottorato di ricerca, un professore associato di ingegneria ambientale presso Drexel che studia il degrado dei contaminanti ambientali.

Sales fa parte di un team del Drexel's College of Engineering e del C. &J. Nyheim Plasma Institute che esplora come un'esplosione di gas carico, chiamato plasma freddo, può essere utilizzato per eliminare i PFAS dall'acqua. Il suo gruppo ha recentemente pubblicato la sua ricerca sulla rivista Scienze ambientali:ricerca e tecnologia sull'acqua .

"Questo è diventato un problema urgente perché stiamo vedendo comparire PFAS ovunque, non solo nell'acqua e nel terreno vicino agli aeroporti che lo usavano nella schiuma antincendio, ma anche in molti beni di consumo come tessuti antimacchia e imballaggi per alimenti progettati per respingere liquidi e grasso", ha affermato Sales. "Poiché queste sostanze chimiche non si biodegradano facilmente, Il PFAS sta filtrando nelle acque sotterranee e di superficie da prodotti che sono rimasti nelle discariche per decenni".

Sebbene non siano ancora state identificate vie di esposizione precise, gli studi suggeriscono che il PFAS è stato rilevato nel flusso sanguigno di ben il 98% della popolazione degli Stati Uniti attraverso una combinazione di esposizione diretta, contaminazione e bioaccumulo dell'acqua potabile.

Il Dipartimento della Difesa sta attualmente spendendo miliardi di dollari per ripulire le riserve idriche del suolo contaminato intorno a centinaia di basi militari dove era stata utilizzata la schiuma antincendio PFAS. Ma i migliori sforzi sono solo un ripiego, secondo Vendite.

"Lo standard attuale per il trattamento dell'acqua contaminata da PFAS sono i filtri a carbone attivo, "Le vendite hanno detto. "Ma il problema con la filtrazione è che raccoglie solo il PFAS, non lo distrugge. Così, a meno che i filtri non vengano inceneriti ad alte temperature, i filtri esauriti diventano una nuova fonte di PFAS che può tornare nell'ambiente attraverso il deflusso delle discariche e le infiltrazioni."

Per eliminare veramente i prodotti chimici, il trattamento deve scindere il legame carbonio-fluoruro che è la chiave per la capacità di resistenza del composto. Diversi tipi di PFAS, che ora si contano a migliaia, sono costituiti da catene di fluoruro di carbonio di diversa lunghezza. L'obiettivo principale dei metodi di decontaminazione proposti è quello di spezzare la catena in pezzi più piccoli per renderla inerte. un secondario, e obiettivo più impegnativo, sta rimuovendo completamente gli atomi di fluoruro dai composti, un risultato chiamato defluorurazione.

Un modo per rimuovere il PFAS dall'acqua consiste nell'elevare le sue temperature che aumentano l'attività dei suoi atomi abbastanza da allungare il legame carbonio-fluoruro fino al suo punto di rottura. Sfortunatamente, ci vuole molto di più che bollire per sbarazzarsi di PFAS, secondo Vendite.

"Per rompere il legame estremamente stabile tra carbonio e fluoruro in PFAS, è necessario aumentare la temperatura dei composti ad almeno 1, 000 Celsius, quindi 10 volte la temperatura dell'acqua bollente, Le vendite hanno detto. "Ma questo non è chiaramente fattibile per le operazioni di trattamento delle acque, a causa dell'enorme quantità di energia che consumerebbe."

Il team Drexel propone l'utilizzo di gas altamente energizzato, o plasma, come un modo per attivare gli atomi PFAS senza riscaldare l'acqua.

Nel disequilibrio, o plasma "freddo", un campo elettromagnetico viene utilizzato per eccitare gli elettroni in un gas senza aumentarne la temperatura complessiva. In un comune esempio di plasma freddo, una luce fluorescente, gli elettroni sono eccitati al punto da emettere luce visibile mentre il gas stesso rimane a temperatura ambiente.

I ricercatori del Nyheim Plasma Institute hanno sfruttato la tecnologia del plasma non in equilibrio per la decontaminazione e la sterilizzazione di prodotti agricoli e carne e in contesti sanitari.

Sbloccarlo su PFAS è l'equivalente chimico dell'uso di un frullatore per fare un frullato.

Primo, un dispositivo chiamato plasmatron ad arco planante crea un campo elettromagnetico rotante che attiva gli elettroni delle bolle di gas nell'acqua. Gli elettroni ad alta energia scindono le specie chimiche nell'acqua e iniziano a emettere radiazioni ultraviolette. In definitiva, il vortice rotante degli atomi, ioni e radiazioni raggiungono un livello di attività sufficientemente alto da recidere il legame carbonio-fluoruro nei composti PFAS, il tutto senza aumentare la temperatura dell'acqua.

In appena un'ora di trattamento, che consuma un po' più di energia di quanta ne servirebbe per far bollire un bollitore, il trattamento al plasma ad arco scorrevole può eliminare più del 90 percento di PFAS dall'acqua e defluorurare circa un quarto dei composti, secondo lo studio recentemente pubblicato dal gruppo.

"Questo è solo un esempio di come la tecnologia al plasma freddo possa essere utilizzata in modo efficace ed efficiente dal punto di vista energetico per affrontare difficili problemi di contaminazione chimica, "ha detto Alexander Fridman, dottorato di ricerca, direttore del Nyheim Plasma Institute. "Il plasma freddo ha il potenziale per aiutarci a eliminare una varietà di tossine chimiche che minacciano le nostre scorte di cibo e acqua potabile".

Sebbene i metodi di trattamento al plasma per la rimozione di PFAS siano stati testati da altri gruppi, finora nessuno di loro si presta ad essere facilmente ridimensionato per l'uso in grandi strutture di trattamento, secondo i ricercatori Drexel.

"Ora che abbiamo dimostrato l'efficacia del trattamento dell'acqua al plasma freddo, il nostro prossimo passo è continuare a testarlo su scala più ampia, " ha detto Fridman. "Riteniamo inoltre che la tecnologia potrebbe essere adattata per trattare il suolo contaminato e per ottenere una defluorurazione quasi completa dei composti PFAS".