Forskere fra Aarhus Universitet har udviklet en katalysator, der kan svække kemiens stærkeste binding og dermed bane vej for mere effektiv nedbrydning af PFAS.
En ny type katalysator kan ændre måden, vi nedbryder nogle af de mest genstridige kemikalier i miljøet.
Forskere fra Aarhus Universitet har nemlig udviklet et materiale, der aktivt går ind og svækker den stærke binding mellem kulstof og fluor, som ellers gør de såkaldte evighedskemikalier, PFAS, ekstremt stabile. I laboratorieforsøg har forskerne haft held til at nedbryde PFAS-stoffet PFOA (perfluoroctansyre) fuldstændigt på tre timer ved hjælp af ultraviolet lys og meget små mængder katalysator.
-I stedet for at bruge mere energi forsøger vi at gøre molekylet mindre stabilt, fortæller lektor Zongsu Wei. For hvis vi kan svække bindingen først, bliver den også langt lettere at bryde.
Forskningen er opstået i samarbejde mellem Aarhus Universitet, Stockholms Universitet og Tunesiens Nationale Center for Forskning i Materialevidenskab og er publiceret i det videnskabelige tidsskrift Applied Catalysis B: Environment and Energy.
Designet til at gøre molekyler ustabile
Katalysatoren består af en kombination af bismuth og små mængder titanium. Den er designet med særlige områder på overfladen, hvor reaktive metalatomer fungerer som kemiske gribepunkter for PFAS-molekyler.
Når molekylet binder sig her, sker der en forskydning i elektronerne. Det betyder kort og godt, at bindingen mellem kulstof og fluor bliver svækket, og molekylet dermed bliver mere modtageligt over for nedbrydning.
-Det svarer lidt til, at vi trækker i molekylet, så bindingen bliver længere og mindre stabil. Det er det, der gør det muligt at aktivere det med lys, forklarer Zongsu Wei.
Forskerne måler samtidig, at en betydelig del af fluor frigives som frie fluorid-ioner. Det er et vigtigt tegn på, at de stærke bindinger faktisk bliver brudt og ikke blot omdannet.
Et af de mest markante resultater er, hvor lidt katalysator der skal til.
Ved koncentrationer helt ned til fem milligram per liter opnår forskerne fuld nedbrydning af PFOA i deres forsøg. Det peger på, at det afgørende ikke er mængden af materiale, men hvordan det er designet.
-Vi kan se, at det er overfladens kemi, der driver processen. Hvis vi bare tilsætter mere materiale, bliver systemet faktisk mindre effektivt, fordi lyset ikke kan trænge igennem, siger Zongsu Wei videre.
PFAS – derfor er de så svære at fjerne
PFAS er en stor gruppe syntetiske kemikalier, der er udviklet til at modstå varme, vand og fedt. Det er egenskaber, der har gjort dem udbredte i alt fra forbrugerprodukter til industri, men som også gør dem ekstremt svære at nedbryde.
Problemet ligger i den kemiske struktur. Bindingen mellem kulstof og fluor er blandt de stærkeste i organisk kemi, og derfor kan mange eksisterende rensningsteknologier ikke nedbryde stofferne effektivt.
-I dag ender vi ofte med at flytte PFAS fra ét sted til et andet med filtre i stedet for egentlig at fjerne dem, fortsætter han.
Den nye katalysator angriber netop denne udfordring ved at gøre molekylerne kemisk mere sårbare, før nedbrydningen går i gang.
Forskerne har testet teknologien både i rent vand og i grundvand. Her falder effektiviteten, fordi andre stoffer konkurrerer om plads på katalysatorens overflade. Samtidig viser studiet, at ikke alle PFAS-typer reagerer lige godt, og at processen afhænger af blandt andet pH-værdien.
-Det her er stadig laboratorieforskning, understreger Zongsu Wei. Men vi får en vigtig indsigt i, hvordan vi kan designe materialer, der målrettet aktiverer meget stabile molekyler.
Katalysatoren viser desuden stabilitet over flere gentagelser, hvilket peger på potentiale for genbrug.
Et nyt princip for vandrensning
Studiet fra Aarhus Universitet peger på en bredere strategi: Effektiv nedbrydning af stabile forureninger handler ikke kun om mere energi, men om at kontrollere, hvordan molekyler binder sig til overflader.
Ifølge forskerne kan samme tilgang bruges til andre typer svært nedbrydelige stoffer.
-Hvis vi kan styre, hvordan molekyler interagerer med en overflade, kan vi også begynde at styre, hvordan de nedbrydes, siger Zongsu Wei afslutningsvis.
Kilde: Aarhus Universitet Technical Sciences.
