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Mit kaltem Plasma giftige „Forever“ -Chemikalien aus dem Trinkwasser sprengen

Plasma Blast Chemicals Trinkwasser

Drexel-Forscher haben Technologien entwickelt, mit denen eine chemische Verbindung beseitigt werden kann, die ursprünglich in Antihaft-Pfannen, Abdichtungen und Feuerlöschschaum verwendet wurde und zu einer dauerhaften Verunreinigung des Trinkwassers geworden ist. Bildnachweis: Drexel University

Forscher der Drexel-Universität zeigen, wie kaltes Plasma PFAS in Wasser eliminieren kann.

Forscher der Drexel-Universität haben einen Weg gefunden, hartnäckig belastbare toxische Verbindungen zu zerstören, die bedrohlich als “für immer Chemikalien” bezeichnet werden und das Trinkwasser von Millionen Menschen in den USA kontaminiert haben.

Diese Chemikalien, allgemein PFAS genannt – eine Verkürzung von Per- und Polyfluoralkylsubstanzen – wurden etwa 60 Jahre lang als Beschichtungen für Antihaftpfannen und wasserdichte Kleidung sowie in Feuerlöschschäumen verwendet. In den letzten zwei Jahrzehnten haben Bedenken hinsichtlich der mit der Exposition gegenüber PFAS verbundenen Gesundheitsrisiken – von Krebs- und Schilddrüsenproblemen bis hin zu niedrigem Geburtsgewicht und hohem Blutdruck – zu Bundesverboten, Überwachungsmandaten und massiven Sanierungsbemühungen geführt.

Es hat sich jedoch als nahezu unmöglich erwiesen, diese Chemikalien – ursprünglich entwickelt, um hohen Temperaturen von brennstoffgetriebenen Bränden zu widerstehen – aus dem Trinkwasser zu entfernen.

“Die chemischen Kohlenstoff-Fluorid-Bindungen in PFAS-Verbindungen sind extrem stabil, so dass es unmöglich ist, diese Verbindungen mit Standardbehandlungsmethoden abzubauen”, sagte Christopher Sales, Ph.D., Associate Professor für Umwelttechnik bei Drexel, der die Verschlechterung der Umwelt untersucht Verunreinigungen.

Der Vertrieb ist Teil eines Teams des Drexel College of Engineering und des C. & J. Nyheim Plasma Institute, das untersucht, wie eine Explosion geladenen Gases, genannt Kälte, entsteht Plasmakann verwendet werden, um PFAS aus Wasser zu entfernen. Seine Gruppe hat kürzlich ihre Forschungsergebnisse in der Zeitschrift veröffentlicht Umweltwissenschaften: Wasserforschung & Technologie.

Kalter Plasma-Wirbel

Forscher der Drexel-Universität haben gezeigt, dass ein Wirbel aus kaltem Plasma PFAS-Verbindungen in Wasser effektiv zerstören kann. Bildnachweis: Drexel University

„Dies ist zu einem dringenden Problem geworden, da PFAS überall auftaucht, nicht nur im Wasser und auf dem Boden in der Nähe von Flughäfen, die es in Feuerlöschschaum verwendet haben, sondern auch in vielen Konsumgütern wie schmutzabweisenden Stoffen und Lebensmittelverpackungen, die dafür entwickelt wurden Flüssigkeiten und Fett abweisen “, sagte der Vertrieb. „Da diese Chemikalien nicht leicht biologisch abgebaut werden, wird PFAS aus Produkten, die seit Jahrzehnten auf Mülldeponien gelagert werden, in Grund- und Oberflächenwasser ausgelaugt.“

Obwohl noch keine genauen Expositionswege identifiziert wurden, deuten Studien darauf hin, dass PFAS im Blutkreislauf von bis zu 98 Prozent der US-Bevölkerung durch eine Kombination aus direkter Exposition, Trinkwasserverschmutzung und Bioakkumulation nachgewiesen wurde.

Das Verteidigungsministerium gibt derzeit Milliarden von Dollar aus, um kontaminierte Bodenwasservorräte rund um Hunderte von Militärbasen zu reinigen, in denen PFAS-Feuerlöschschaum verwendet wurde. Die besten Bemühungen sind laut Sales jedoch nur eine Notlösung.

Plasmatron-Technologie behandelt PFAS-kontaminiertes Wasser

Das an der Drexel University entwickelte Gleitbogenplasmatron wird verwendet, um die PFAS-Kontamination durch Trinkwasser zu beseitigen. Bildnachweis: Drexel University

“Der derzeitige Standard für den Umgang mit PFAS-kontaminiertem Wasser sind Aktivkohlefilter”, sagte Sales. “Das Problem bei der Filtration ist jedoch, dass nur das PFAS gesammelt und nicht zerstört wird. Sofern die Filter nicht bei hohen Temperaturen verbrannt werden, werden die verbrauchten Filter zu einer neuen PFAS-Quelle, die durch Abfließen und Versickern von Deponien in die Umwelt zurückkehren kann. “

Um die chemische Behandlung wirklich zu eliminieren, muss die Kohlenstoff-Fluorid-Bindung, die für das Durchhaltevermögen der Verbindung entscheidend ist, getrennt werden. Verschiedene Arten von PFAS, die jetzt zu Tausenden zählen, bestehen aus unterschiedlich langen Kohlenstoff-Fluorid-Ketten. Das Hauptziel der vorgeschlagenen Dekontaminationsmethoden besteht darin, die Kette in kleinere Stücke zu zerbrechen, um sie inert zu machen. Ein sekundäres und herausforderndes Ziel ist die vollständige Entfernung der Fluoridatome aus den Verbindungen – eine Leistung, die als Entfluorierung bezeichnet wird.

Eine Möglichkeit, PFAS aus Wasser zu entfernen, besteht darin, seine Temperaturen zu erhöhen, wodurch die Aktivität seiner Atome so weit erhöht wird, dass die Kohlenstoff-Fluorid-Bindung bis zu ihrem Bruchpunkt gedehnt wird. Leider braucht es laut Sales viel mehr als nur Kochen, um PFAS loszuwerden.

„Um die extrem stabile Bindung zwischen Kohlenstoff und Fluorid in PFAS aufzubrechen, muss die Temperatur der Verbindungen auf mindestens 1.000 erhöht werden Celsius – also die 10-fache Temperatur von kochendem Wasser “, sagte Sales. “Aber das ist für Wasseraufbereitungsarbeiten aufgrund des enormen Energieverbrauchs eindeutig nicht machbar.”

Das Drexel-Team schlägt die Verwendung von hochenergetisiertem Gas oder Plasma vor, um die PFAS-Atome zu aktivieren, ohne das Wasser zu erhitzen.

Plasma Vortex

Mit einem Gleitbogenplasmatron können Forscher der Drexel-Universität einen Wirbel aus kaltem Plasma mit genügend Energie erzeugen, um PFAS-Verbindungen in Wasser aufzubrechen. Bildnachweis: Drexel University

Im Nichtgleichgewichts- oder “kalten” Plasma wird ein elektromagnetisches Feld verwendet, um die Elektronen in einem Gas anzuregen, ohne die Gesamttemperatur zu erhöhen. In einem üblichen Beispiel für kaltes Plasma, ein fluoreszierendes Licht, werden Elektronen bis zu dem Punkt angeregt, an dem sie sichtbares Licht emittieren, während das Gas selbst bei Raumtemperatur bleibt.

Forscher des Nyheim Plasma Institute haben die Nichtgleichgewichtsplasmatechnologie für die Dekontamination und Sterilisation von Produkten und Fleisch sowie im Gesundheitswesen genutzt.

Das Loslassen auf PFAS ist das chemische Äquivalent zur Verwendung eines Mixers zur Herstellung eines Smoothie.

Erstens erzeugt eine Vorrichtung, die als Gleitbogenplasmatron bezeichnet wird, ein rotierendes elektromagnetisches Feld, das Elektronen von Gasblasen im Wasser aktiviert. Die hochenergetischen Elektronen spalten chemische Spezies im Wasser auf und beginnen, ultraviolette Strahlung zu emittieren. Letztendlich erreicht der sich drehende Wirbel aus Atomen, Ionen und Strahlung ein Aktivitätsniveau, das hoch genug ist, um die Kohlenstoff-Fluorid-Bindung in den PFAS-Verbindungen zu lösen – alles ohne die Wassertemperatur zu erhöhen.

In nur einer Stunde Behandlung, die etwas mehr Energie verbraucht, als zum Kochen eines Teekessels erforderlich wäre, kann die Gleitbogenplasmabehandlung mehr als 90 Prozent des PFAS aus dem Wasser entfernen und etwa ein Viertel der Verbindungen entfluorieren. Laut der kürzlich veröffentlichten Studie der Gruppe.

“Dies ist nur ein Beispiel dafür, wie effektiv und energieeffizient die Kaltplasmatechnologie eingesetzt werden kann, um schwierige chemische Kontaminationsprobleme anzugehen”, sagte Alexander Fridman, Ph.D., Direktor des Nyheim Plasma Institute. “Kaltes Plasma kann uns helfen, eine Vielzahl chemischer Toxine zu eliminieren, die unsere Lebensmittel- und Trinkwasserversorgung bedrohen.”

Während Plasmabehandlungsmethoden zur PFAS-Entfernung von anderen Gruppen getestet wurden, eignet sich laut den Drexel-Forschern bisher keine für eine einfache Skalierung für den Einsatz in großen Behandlungseinrichtungen.

“Nachdem wir die Wirksamkeit der Kaltplasma-Wasseraufbereitung bewiesen haben, besteht unser nächster Schritt darin, sie in größerem Maßstab weiter zu testen”, sagte Fridman. “Wir glauben auch, dass die Technologie angepasst werden könnte, um kontaminierten Boden zu behandeln und eine nahezu vollständige Entfluorierung von PFAS-Verbindungen zu erreichen.”

Referenz: “Schneller Abbau von PFAS in wässrigen Lösungen durch Umkehrwirbelströmungs-Gleitbogenplasma” von Asa J. Lewis, Thomas Joyce, Maher Hadaya, Farshad Ebrahimi, Iwan Dragiev, Nickolas Giardetti, Junchun Yang, Gregory Fridman, Alexander Rabinovich, Alexander A. Fridman, Erica R. McKenzie und Christopher M. Sales, 29. Januar 2020, Umweltwissenschaften: Wasserforschung & Technologie.
DOI: 10.1039 / C9EW01050E

Diese Forschung wurde vom US-Verteidigungsministerium unterstützt.

Neben Sales und Fridman von Drexel trugen auch Gregory Fridman, Ph.D. von AAPlasma, LLC, und Erica MaKenzie, Ph.D. von der Temple University, zur Forschung bei.