Milieuvriendelijke technologie verwijdert giftige PFAS uit water

Onderzoekers van Rice University, in samenwerking met internationale partners, hebben de eerste milieuvriendelijke technologie ontwikkeld om giftige “forever chemicals” (PFAS) snel uit water te verwijderen en te vernietigen. De bevindingen, recentelijk gepubliceerd in Advanced Materials, vormen een belangrijke stap in de aanpak van een van de meest hardnekkige milieuproblemen ter wereld.

De studie werd geleid door Youngkun Chung, een postdoctorale fellow onder begeleiding van Michael S. Wong, professor aan de George R. Brown School of Engineering and Computing van Rice University. De samenwerking omvatte ook Seoktae Kang, professor aan het Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST), en Keon-Ham Kim, professor aan de Pukyung National University in Zuid-Korea.

PFAS, wat staat voor per- en polyfluoroalkylstoffen, zijn synthetische chemicaliën die voor het eerst in de jaren veertig werden geproduceerd en worden gebruikt in producten variërend van Teflon-pannen tot waterdichte kleding en voedselverpakkingen. Hun vermogen om weerstand te bieden tegen hitte, vet en water heeft hen waardevol gemaakt voor de industrie en consumenten. Maar diezelfde weerstand betekent dat ze niet gemakkelijk afbreken, wat hen de bijnaam “forever chemicals” heeft opgeleverd.

Vandaag de dag zijn PFAS overal ter wereld te vinden in water, bodem en lucht. Studies koppelen ze aan leverbeschadiging, reproductieve aandoeningen, verstoring van het immuunsysteem en bepaalde kankers. Pogingen om PFAS op te ruimen hebben moeite gehad omdat de chemicaliën moeilijk te verwijderen en te vernietigen zijn zodra ze in het milieu zijn vrijgelaten.

Beperkingen van de huidige technologie

Traditionele methoden voor het opruimen van PFAS vertrouwen doorgaans op adsorptie, waarbij moleculen zich hechten aan materialen zoals actieve koolstof of ionenwisselharsen. Hoewel deze methoden veelvuldig worden toegepast, hebben ze aanzienlijke nadelen: lage efficiëntie, trage prestaties, beperkte capaciteit en de creatie van extra afval dat moet worden afgevoerd.

“Huidige methoden voor de verwijdering van PFAS zijn te traag, inefficiënt en creëren secundair afval,” zei Wong, de Tina en Sunit Patel Professor in Molecular Nanotechnology en professor in chemische en biomoleculaire techniek, chemie en civiele en milieutechniek. “Onze nieuwe benadering biedt een duurzame en zeer effectieve alternatieve oplossing.”

Een materiaal met veelbelovende toepassingen

De innovatie van het team onder leiding van Rice concentreert zich op een gelaagd dubbelhydroxide (LDH) materiaal gemaakt van koper en aluminium, dat voor het eerst werd ontdekt door Kim als afgestudeerde student aan KAIST in 2021. Tijdens experimenten met deze materialen ontdekte Chung dat een formulering met nitraat PFAS met een ongekende efficiëntie kon adsorberen.

“Tot mijn grote verbazing ving deze LDH-verbinding PFAS meer dan 1.000 keer beter dan andere materialen,” zei Chung, een hoofdauteur van de studie en nu fellow aan het WaTER (Water Technologies, Entrepreneurship and Research) Institute en Sustainability Institute van Rice. “Het werkte ook ongelooflijk snel, waarbij grote hoeveelheden PFAS binnen enkele minuten werden verwijderd, ongeveer 100 keer sneller dan commerciële koolstoffilters.”

De effectiviteit van het materiaal is te danken aan de unieke interne structuur. De georganiseerde koper-aluminium lagen, gecombineerd met lichte ladingonevenwichtigheden, creëren een ideale omgeving voor PFAS-moleculen om zich snel en sterk te binden.

Om de praktische toepasbaarheid van de technologie te testen, evalueerde het team het LDH-materiaal in rivierwater, kraanwater en afvalwater. In alle gevallen bleek het uiterst effectief te zijn, zowel in statische als in doorstroomsystemen. De resultaten suggereren een sterke potentie voor grootschalige toepassingen in de gemeentelijke waterzuivering en industriële opruiming.

De cyclus sluiten: Vangen en vernietigen

Het verwijderen van PFAS uit water is slechts een deel van de uitdaging. Het veilig vernietigen ervan is even belangrijk. In samenwerking met de Rice-professoren Pedro Alvarez en James Tour ontwikkelde Chung een methode om PFAS die op het LDH-materiaal zijn gevangen, thermisch af te breken. Door het verzadigde materiaal te verhitten met calciumcarbonaat, wist het team meer dan de helft van de gevangen PFAS te elimineren zonder giftige bijproducten vrij te geven. Opmerkelijk is dat het proces ook het LDH regenererde, waardoor het meerdere keren kan worden hergebruikt.

Voorlopige studies toonden aan dat het materiaal ten minste zes volledige cycli van vangen, vernietigen en vernieuwen kon voltooien, waarmee het het eerste bekende milieuvriendelijke, duurzame systeem voor PFAS-verwijdering is.

“We zijn enthousiast over het potentieel van deze unieke LDH-gebaseerde technologie om de behandeling van PFAS-gecontamineerde waterbronnen in de nabije toekomst te transformeren,” zei Wong. “Het is het resultaat van een buitengewone internationale samenwerking en de creativiteit van jonge onderzoekers.”