На международной арене совершён значительный научный прорыв: исследователи из Университета Райса совместно с коллегами разработали первую в своём роде экологически чистую технологию, способную оперативно улавливать и разлагать токсичные «вечные химикаты» – пер- и полифторалкильные вещества (ПФАС) – в воде. Результаты этого исследования, недавно опубликованные в престижном журнале Advanced Materials, представляют собой существенный шаг вперёд в борьбе с одной из наиболее устойчивых глобальных угроз загрязнения.
Руководил проектом Янгкун Чунг, научный сотрудник, работавший под наставничеством Майкла С. Вонга, профессора Инженерно-вычислительной школы имени Джорджа Р. Брауна при Университете Райса. В команду также вошли Сеоктай Кан, профессор Корейского передового института науки и технологий (KAIST), и Кеон-Хам Ким, профессор Национального университета Пукён в Южной Корее, что подчёркивает международный характер и масштаб проведённой работы.
ПФАС, или пер- и полифторалкильные вещества, представляют собой синтетические соединения, появившиеся в 1940-х годах. Они широко применялись во многих бытовых продуктах, таких как антипригарные покрытия сковородок (например, тефлон), водонепроницаемая одежда и некоторые виды пищевой упаковки. Секрет их популярности заключался в исключительной устойчивости к нагреванию, жирам и воде. Однако именно эта долговечность объясняет их чрезвычайно медленное разложение, за что ПФАС и получили название «вечные химикаты».
Сегодня ПФАС повсеместно распространены, их обнаруживают в воде, почве и воздухе по всему миру. Исследования связывают воздействие этих химикатов с серьёзными проблемами со здоровьем, включая повреждения печени, репродуктивные нарушения, сбои в работе иммунной системы и некоторые виды рака. Очистка окружающей среды от ПФАС крайне затруднена, поскольку после попадания в экосистему их сложно удалить и ещё сложнее полностью уничтожить.
Существующие методы борьбы с ПФАС зачастую оказываются неэффективными. Многие стандартные подходы основываются на адсорбции, когда химикаты прилипают к таким материалам, как активированный уголь или ионообменные смолы. Хотя эти методы распространены, они имеют значительные ограничения: низкая эффективность, медленная работа, ограниченная ёмкость и, что критически важно, образование дополнительных загрязнённых отходов, которые требуют дальнейшей утилизации.
«Нынешние методы удаления ПФАС слишком медлительны, неэффективны и приводят к образованию вторичных отходов, – отмечает профессор Вонг, занимающий должности профессора молекулярной нанотехнологии имени Тины и Санита Пателя, а также профессора химической и биомолекулярной инженерии, химии и гражданской и экологической инженерии. – Наш новый подход предлагает устойчивую и высокоэффективную альтернативу».
Новый прорывной подход основан на слоистом двойном гидроксиде (LDH) – материале, состоящем из меди и алюминия. Изначально этот тип материала был идентифицирован Кимом ещё в 2021 году, когда он был аспирантом в KAIST. В ходе дальнейшего изучения этих соединений Чунг обнаружил, что специфическая версия LDH, содержащая нитрат, демонстрирует необычайно высокую способность к адсорбции ПФАС. «К моему удивлению, это соединение LDH улавливало ПФАС более чем в 1000 раз эффективнее, чем другие материалы, – рассказал Чунг, один из ведущих авторов исследования, ныне научный сотрудник Института воды (WaTER) и Института устойчивого развития Райса. – Оно также работало невероятно быстро, удаляя значительные объёмы ПФАС за считанные минуты – примерно в 100 раз быстрее, чем коммерческие угольные фильтры».
По мнению исследователей, впечатляющие результаты обусловлены внутренней структурой материала. Его упорядоченные медно-алюминиевые слои в сочетании с небольшими зарядовыми дисбалансами создают чрезвычайно благоприятную поверхность, на которой молекулы ПФАС могут быстро и прочно прикрепляться.
Чтобы проверить эффективность системы за пределами лаборатории, команда испытала материал LDH в речной, водопроводной и сточной воде. Во всех трёх случаях он показал высокую эффективность. Материал также хорошо проявил себя как в статических тестах, так и в установках непрерывного потока, что указывает на его потенциальное применение в муниципальных системах водоочистки и для промышленной очистки.
Улавливание ПФАС – это лишь половина задачи, ведь пойманные химикаты ещё необходимо безопасно уничтожить. Работая с профессорами Райса Педро Альваресом и Джеймсом Туром, Янгкун Чунг разработал процесс термического разложения ПФАС после их захвата материалом LDH. При нагревании материала, насыщенного ПФАС, с карбонатом кальция исследователи удалили более половины захваченных ПФАС без выделения токсичных побочных продуктов. Тот же шаг позволил регенерировать LDH, сделав возможным его повторное использование. Первые испытания показали, что материал способен пройти как минимум шесть полных циклов улавливания, разложения и восстановления. Это делает его первой известной экологически чистой, устойчивой системой для удаления ПФАС, которая сочетает быструю очистку с многократным повторным использованием.
«Мы воодушевлены потенциалом этой уникальной технологии на основе LDH, которая способна преобразить подход к очистке загрязнённых ПФАС водных источников в ближайшем будущем, – отметил профессор Вонг. – Это результат выдающегося международного сотрудничества и творческого подхода молодых исследователей». Исследование получило значительную финансовую поддержку от различных организаций, включая Программу базовых научных исследований Национального исследовательского фонда Кореи (финансируется Министерством образования), гранты Национальных конвергентных исследований научных проблем и стипендию Седжонг через Национальный исследовательский фонд Кореи и финансирование от Министерства науки и информационно-коммуникационных технологий. Дополнительное финансирование было предоставлено Saudi Aramco–KAIST CO2 Management, Центром инженерных исследований наносистем для водоочистки (NEWT), грантом Инженерно-исследовательского центра армии США, Институтом устойчивого развития Райса и Институтом воды Райса.
