Novo roteiro avança soluções catalíticas para destruir ‘Without end Chemical substances’

Uma equipe de pesquisadores da Universidade de Rice, Universidade Carnegie Mellon e outras instituições globais líderes descreveu um novo roteiro ousado para aproveitar a catálise heterogênea para destruir substâncias per e politluoroalquil (PFAs), os chamados “produtos químicos” para sempre que possuem água contaminada no mundo mundial.

Em um artigo publicado em Água da naturezaA equipe internacional de engenheiros ambientais, químicos e especialistas em catálise avaliou as tecnologias catalíticas atuais para destruição de PFAs, propuseram um conjunto de inovações para superar as limitações existentes e enfatizou a necessidade urgente de métricas de desempenho holístico que refletem verdadeiros benefícios ambientais e públicos à saúde.

“A catálise oferece um caminho promissor para quebrar completamente as moléculas de PFAS, mas as abordagens atuais ainda estão longe de ser ótimas”, disse Michael Wong, co-autor e presidente do Departamento de Engenharia Química e Biomolecular de Rice. “Precisamos de design mais inteligente, melhor integração de processos e uma maneira mais sutil de comparar tecnologias que explicam a redução de energia, custo e toxicidade”.

Os PFAs são compostos sintéticos usados ​​em produtos, desde espumas de combate a incêndios a utensílios de cozinha e produtos de cuidados pessoais. Suas ligações de fluorina de carbono estão entre as mais fortes da química, tornando-as extremamente persistentes no ambiente e difíceis de degradar. Os tratamentos de água convencionais, como osmose reversa e filtros de carbono ativados, separam apenas os PFAs da água, o que significa que o desperdício tóxico é deixado para trás.

“Catálise heterogênea-o uso de materiais sólidos para acelerar as reações químicas-tem o potencial de não apenas separar, mas realmente mineralizar os PFAs em subprodutos inofensivos”, disse Gregory Lowry, autor correspondente e um professor de engenharia civil e ambiental de Hamerschlag em Carnegie Mellon. “Mas esses sistemas enfrentam vários obstáculos, incluindo baixa seletividade, defluorinação incompleta e altas demandas de energia”.

Uma das principais recomendações da equipe é uma etapa de pré -tratamento para simplificar a sopa complexa de PFAs frequentemente encontrados em resíduos industriais ou água subterrânea contaminada. Usando reações químicas homogêneas conhecidas, eles postulam que essas misturas podem ser transformadas em um conjunto menor de compostos mais bem compreendidos, abrindo caminho para uma destruição catalítica mais eficaz.

“Pensar no tratamento complexo do PFAS como um processo de várias etapas que exigirá muitas etapas torna o design do catalisador muito mais tratável”, disse Sarah Glass, co-primeiro autor e estudante de pós-graduação em civil e Engenharia Ambiental no arroz. “Projetar e usar técnicas de tratamento que são realmente eficientes para uma determinada etapa da degradação pode melhorar a eficiência geral e acelerar o desenvolvimento de soluções catalíticas do mundo actual”.

Os pesquisadores propuseram um “trem de tratamento” seqüencial, onde as misturas simplificadas de PFAs são processadas através de etapas catalíticas personalizadas. Primeiro, o processo take away grupos de cabeça química específicos das moléculas de PFAS. Em seguida, diminui suas longas cadeias de carbono perfluoradas, retirando o Átomos de flúor– A chave para sua persistência. Finalmente, os fragmentos fluorados restantes são divididos em substâncias seguras e naturalmente, como dióxido de carbono, íons de água e fluoreto.

Cada etapa usa um catalisador especializado adaptado à estrutura química nesse estágio. Por exemplo, os materiais à base de titânio são usados ​​para acelerar a oxidação, enquanto o paládio ajuda a trocar os átomos de flúor por hidrogênio em um processo chamado hidrodu-fluorização redutiva. Essa abordagem garante que mesmo misturas complexas de PFAs possam ser efetivamente destruídas, em vez de apenas absorvidas em um sólido, exigindo tratamento adicional.

“Pense nisso como uma corrida de revezamento”, disse Thomas Senftle, ​​co-autor e administrador do William Marsh Rice Professor Associado de Engenharia Química e Biomolecular em Rice. “Cada catalisador entrega um PFAS parcialmente degradado para o outro até que a molécula esteja completamente quebrada. Nosso objetivo é a defluorinação complete”.

Os pesquisadores enfatizaram a importância de criar catalisadores que possam atingir e quebrar os PFAs sem serem distraídos por outras substâncias comumente encontradas em água contaminada. Para fazer isso, eles estão explorando superfícies de catalisador que atraem melhor os PFAs e estão usando modelos de computador e aprendizado de máquina para prever reações e otimizar o design do catalisador.

“Ainda estamos aprendendo quais PFAs quebram sob quais condições”, disse Pedro Alvarez, co-autor, professor de engenharia civil e ambiental de George R. Brown e diretor do Instituto de Pesquisa e Empreendedorismo e Pesquisa da Rice Water Applied sciences. “As simulações orientadas a dados podem acelerar drasticamente o processo de descoberta”.

A equipe também introduziu uma nova métrica de energia chamada energia elétrica por ordem de defluorinação (EEOD) para comparar de maneira justa a eficiência de sistemas catalíticos diferentes quebram as ligações fluorinas-carbonos. Ao contrário das métricas de remoção tradicionais, o EEOD se concentra na verdadeira degradação, não apenas na separação.

O artigo termina com um pedido de colaboração interdisciplinar e dados abertos Compartilhando para refinar as estratégias de tratamento do PFAS, com a necessidade de métodos de destruição escalável e econômica maiores do que nunca.

“Os PFAs são um desafio geracional”, disse Wong. “Devemos às gerações futuras encontrar soluções inteligentes e sustentáveis, e a catálise pode ser uma delas”.