ساخت راکتور جدید برای نابودی همیشگی مواد شیمیایی مقاوم

محققان دانشگاه واشنگتن راکتوری ساخته اند که می تواند ” مواد شیمیایی مقاوم ” در برابر پاک شدن را نابود کند.

به گزارش تکناک، مواد شیمیایی مقاوم که به دلیل توانایی آنها در ماندگاری در آب و خاک به این اسم نامیده می شود، نوعی مولکول است که در زندگی روزمره ما از جمله بسته بندی مواد غذایی و کالاهای تمیزکننده خانگی در همه جا وجود دارد.

این مواد شیمیایی مقاوم ممکن است باعث مشکلات سلامتی مانند سرطان یا اختلال در باروری شوند زیرا تجزیه نمی شوند و در آب و غذای ما جمع نمی شوند.

آژانس حفاظت از محیط زیست ایالات متحده در این ماه پیشنهاد کرد که PFOA و PFOS، دو مورد از رایج ترین مواد شیمیایی مقاوم، به عنوان “Superfunds” تعیین شود که نظارت بر آنها و سازماندهی عملیات پاکسازی را برای EPA آسان تر می کند.

اگر مواد شیمیایی مقاوم در طول این فرآیند نابود شوند، مطمئناً پاکسازی مؤثرتر خواهد بود، و چندین محقق در حال تحقیق در مورد راه هایی برای انجام این کار بوده اند.

تیمی از محققان دانشگاه واشنگتن تکنیک جدیدی برای از بین بردن PFOA و PFOS ایجاد کرده اند. محققان راکتوری ساختند که می تواند با استفاده از “آب فوق بحرانی” که در دما و فشار بالا تشکیل می شود، مواد شیمیایی که از بین بردن آنها دشوار است را به طور کامل تجزیه کند.

این روش ممکن است به تصفیه پسماندهای صنعتی، از بین بردن مواد شیمیایی غلیظ همیشه موجود در محیط، و دفع ذخایر قدیمی مانند مواد شیمیایی برای همیشه در فوم آتش نشانی کمک کند.

این تیم اخیرا یافته های خود را در مجله مهندسی شیمی منتشر کرده است.

نویسنده ارشد، ایگور نووسلوف، دانشیار پژوهشی مهندسی مکانیک UW، به برخی سوالات در مورد تحقیقات خود پاسخ داد.

آب فوق بحرانی چیست و چگونه می تواند این مولکول ها را از بین ببرد؟

ایگور نووسلوف: راکتور ما اساساً آب را خیلی سریع گرم می کند، اما آب را متفاوت از زمانی که آن را برای پاستا می جوشانید، گرم می کند. به طور معمول، هنگامی که دما را افزایش می دهید، آب می جوشد و تبدیل به بخار می شود. از آنجا، آب و بخار گرمتر از 100 درجه سانتیگراد (212 فارنهایت) نمی شوند.

اما اگر آب را فشرده کنید، می توانید این تعادل را تغییر دهید و آن نقطه جوش را در دماهای بسیار گرمتر به دست آورید. اگر فشار را افزایش دهید، دمای جوش افزایش می یابد. در یک نقطه، آب از مایع به بخار تبدیل نمی شود. در عوض، به یک نقطه بحرانی برخورد می کنید که در آن آب به حالت متفاوتی از ماده می رسد که به آن فاز فوق بحرانی می گویند.

در اینجا آب مایع یا گاز نیست. این چیزی بین است، و خطوط در آنجا به نوعی مبهم هستند. این چیزی شبیه پلاسما است که در آن مولکول های آب مانند ذرات یونیزه می شوند. این مولکول های نیمه تفکیک شده در دماهای بالا و سرعت بالا به اطراف جهش می کنند.

این یک محیط بسیار خورنده و شیمیایی تهاجمی است که در آن مولکول های آلی نمی توانند زنده بمانند.

مواد شیمیایی که برای همیشه در آب معمولی زنده می مانند، مانند PFOS و PFOA، می توانند در آب فوق بحرانی با سرعت بسیار بالایی تجزیه شوند. اگر شرایط را درست کنیم، این مولکول های مقاوم می توانند به طور کامل از بین بروند و هیچ محصول واسطه ای باقی نگذارند و فقط مواد بی ضرری مانند دی اکسید کربن، آب و نمک های فلوراید تولید کنند که اغلب به آب شهری و خمیر دندان اضافه می شوند.

*چگونه شروع به طراحی این راکتور کردید؟

ایگور نووسلوف: ما در ابتدا آن را برای از بین بردن عوامل جنگ شیمیایی طراحی کردیم که از بین بردن آنها نیز واقعاً سخت است. ساخت رآکتور پنج سال طول کشید. سؤالات مهمی وجود داشت از جمله، چگونه می‌توانیم شرایط را در آن فشار نگه داریم؟ در داخل راکتور، فشار 200 برابر بیشتر از سطح دریا است. سوال دیگری که داشتیم این بود: چگونه اطمینان حاصل کنیم که راکتور روشن شده و در دمای تعیین شده در حالت پیوسته کار می کند؟ این یک پروژه مهندسی شد، اما بالاخره ما مهندس هستیم.

*راکتور چگونه کار می کند؟

ایگور نووسلوف: همه چیز داخل یک لوله ضخیم فولادی ضد زنگ است که حدود یک فوت طول و یک اینچ قطر دارد. ما می‌توانیم دمای داخل را تغییر دهیم تا بفهمیم برای از بین بردن کامل یک ماده شیمیایی چقدر باید گرم شویم. برخی از مواد شیمیایی به 400 درجه سانتیگراد (752 فارنهایت) و برخی 650 درجه سانتیگراد (1202 فارنهایت) نیاز دارند.

در بالای راکتور، ما به طور مداوم سوخت آزمایشی، هوا و مواد شیمیایی را که می‌خواهیم از بین ببریم، به عنوان مثال PFOS، به آب فوق بحرانی تزریق می‌کنیم. سوخت گرمای لازم را برای فوق بحرانی ماندن مخلوط فراهم می کند و PFOS به سرعت با این محیط تهاجمی مخلوط می شود. به طور کلی زمان واکنش کمتر از یک دقیقه است. در انتهای راکتور، مخلوط خنک می شود تا هم مایع و هم تخلیه گاز ایجاد شود. ما می توانیم آنچه را که در فاز مایع و گاز وجود دارد تجزیه و تحلیل کنیم تا اندازه گیری کنیم که آیا ماده شیمیایی را از بین برده ایم یا خیر.

چه چیزی  پیدا شد؟

ایگور نووسلوف: ما آزمایش مشابهی را با PFOS و PFOA انجام دادیم زیرا هر دو توسط EPA تنظیم می شوند. دیدیم که PFOA در شرایط فوق بحرانی خفیف (حدود 400 درجه سانتیگراد یا 750 فارنهایت) از بین می رود، اما PFOS اینطور نیست. طول کشید تا به دمای 610 درجه سانتیگراد (1130 فارنهایت) رسیدیم تا شاهد نابودی PFOS باشیم. در آن دما، PFOS و تمام واسطه ها در عرض 30 ثانیه نابود شدند.

در دماهای پایین‌تر، آزمایش‌های PFOS تشکیل انواع مولکول‌های واسطه، از جمله PFOA را نشان داد. برخی از این محصولات تجزیه در فاز مایع بیرون آمدند، به این معنی که می‌توانند در فاضلاب در محل‌های تولیدی که برای همیشه از مواد شیمیایی استفاده می‌کنند، وجود داشته باشند. اما سایر واسطه ها در فاز گازی در حال بیرون آمدن هستند، که مشکل ساز است زیرا انتشار گاز معمولاً تنظیم نمی شود. این مولکول ها حاوی عنصر فلوئور هستند و می دانیم که این نوع گازها به اثرات گلخانه ای کمک می کنند. در حال حاضر، ما راهی برای نظارت بر آلودگی گاز در زمان واقعی نداریم و نمی دانیم چه مقدار یا حتی ترکیب شیمیایی دقیق آنها را تولید خواهیم کرد.

آینده این پروژه چیست؟

ایگور نووسلوف: ما چند مرحله بعدی داریم. ما از راکتور استفاده کرده‌ایم تا ببینیم که این رآکتور چقدر مواد شیمیایی دیگر را به‌جز PFOS و PFOA از بین می‌برد. ما همچنین در حال ارزیابی این هستیم که این فناوری چقدر می تواند برای سناریوهای دنیای واقعی کار کند. برای مثال، احتمالاً نمی توانید با کل اقیانوس اینگونه رفتار کنید. اما احتمالاً می‌توانیم از این برای درمان مشکلات موجود، مانند زباله‌های شیمیایی برای همیشه در سایت‌های تولیدی استفاده کنیم.

آلودگی شیمیایی برای همیشه یک مشکل بزرگ است و از بین نخواهد رفت. ما هیجان زده هستیم که روی آن کار کنیم و با تنظیم کننده ها و گروه های پیشرو در دانشگاه و صنعت برای یافتن راه حل همکاری کنیم.