Einfache Methode zerstört gefährliche "Ewig-Chemikalien" und macht Wasser sicher
Mit gewöhnlichen Reagenzien in erhitztem Wasser können Chemiker PFAS "enthaupten" und abbauen, so dass nur harmlose Verbindungen übrig bleiben
Wenn Sie angesichts der jüngsten Berichte verzweifelt sind, dass die Wasserquellen der Erde mit gefährlichen, vom Menschen hergestellten Chemikalien, so genannten PFAS, verunreinigt sind, die sich über Tausende von Jahren halten können und sogar Regenwasser ungenießbar machen, gibt es eine gute Nachricht.
Symbolbild
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Chemiker der UCLA und der Northwestern University haben eine einfache Methode entwickelt, um fast ein Dutzend dieser nahezu unzerstörbaren "Ewig-Chemikalien" bei relativ niedrigen Temperaturen und ohne schädliche Nebenprodukte abzubauen.
In einer in der Fachzeitschrift Science veröffentlichten Arbeit zeigen die Forscher, dass gängige, preiswerte Lösungsmittel und Reagenzien in Wasser, das auf nur 176 bis 248 Grad Fahrenheit erhitzt wurde, die molekularen Bindungen in PFAS, die zu den stärksten bekannten gehören, durchtrennten und eine chemische Reaktion in Gang setzten, die das Molekül allmählich abnagte", bis es verschwunden war, so der UCLA-Forschungsprofessor und Mitautor Kendall Houk.
Die einfache Technologie, die vergleichsweise niedrigen Temperaturen und das Fehlen von schädlichen Nebenprodukten bedeuten, dass es keine Grenze gibt, wie viel Wasser auf einmal verarbeitet werden kann, fügte Houk hinzu. Die Technologie könnte es den Wasseraufbereitungsanlagen letztendlich erleichtern, PFAS aus dem Trinkwasser zu entfernen.
Per- und Polyfluoralkylsubstanzen - kurz PFAS - sind eine Klasse von rund 12.000 synthetischen Chemikalien, die seit den 1940er Jahren in antihaftbeschichtetem Kochgeschirr, wasserfestem Make-up, Shampoos, Elektronik, Lebensmittelverpackungen und unzähligen anderen Produkten verwendet werden. Sie enthalten eine Bindung zwischen Kohlenstoff- und Fluoratomen, die in der Natur durch nichts gebrochen werden kann.
Wenn diese Chemikalien durch die Herstellung oder den täglichen Gebrauch von Produkten in die Umwelt gelangen, werden sie Teil des Wasserkreislaufs der Erde. In den letzten 70 Jahren haben PFAS praktisch jeden Tropfen Wasser auf der Erde verunreinigt, und ihre starke Kohlenstoff-Fluor-Bindung ermöglicht es ihnen, die meisten Wasseraufbereitungssysteme völlig unversehrt zu passieren. Sie können sich im Laufe der Zeit im Gewebe von Menschen und Tieren anreichern und auf eine Weise Schaden anrichten, die Wissenschaftler gerade erst zu verstehen beginnen. Bestimmte Krebsarten und Schilddrüsenerkrankungen werden zum Beispiel mit PFAS in Verbindung gebracht.
Aus diesen Gründen ist die Suche nach Möglichkeiten, PFAS aus dem Wasser zu entfernen, besonders dringend geworden. Die meisten von ihnen erfordern jedoch extrem hohe Temperaturen, spezielle Chemikalien oder ultraviolettes Licht und erzeugen manchmal Nebenprodukte, die ebenfalls schädlich sind und zusätzliche Schritte zur Entfernung erfordern.
PFAS auf dem Weg zur Guillotine
William Dichtel, Chemieprofessor an der Northwestern University, und seine Doktorandin Brittany Trang stellten fest, dass PFAS-Moleküle zwar einen langen "Schwanz" aus hartnäckigen Kohlenstoff-Fluor-Bindungen enthalten, ihre "Kopf"-Gruppe aber oft geladene Sauerstoffatome aufweist, die stark mit anderen Molekülen reagieren. Dichtels Team baute eine chemische Guillotine, indem es die PFAS in Wasser mit Dimethylsulfoxid (DMSO) und Natriumhydroxid (Lauge) erhitzte, wodurch der Kopf abgetrennt wurde und ein freiliegender, reaktiver Schwanz zurückblieb.
"Das löste all diese Reaktionen aus, und es begann, Fluoratome aus diesen Verbindungen auszuspucken, um Fluorid zu bilden, das die sicherste Form von Fluor ist", so Dichtel. "Obwohl Kohlenstoff-Fluor-Bindungen superstark sind, ist diese geladene Kopfgruppe die Achillesferse."
Doch die Experimente brachten eine weitere Überraschung zutage: Die Moleküle schienen nicht so auseinanderzufallen, wie es nach herkömmlicher Auffassung der Fall sein sollte.
Um dieses Rätsel zu lösen, teilten Dichtel und Trang ihre Daten mit Houk und der Studentin Yuli Li von der Universität Tianjin, die während der Pandemie von China aus in Houks Gruppe mitarbeitete. Die Forscher hatten erwartet, dass die PFAS-Moleküle ein Kohlenstoffatom nach dem anderen abspalten würden, aber Li und Houk führten Computersimulationen durch, die zeigten, dass sich zwei oder drei Kohlenstoffmoleküle gleichzeitig von den Molekülen lösten, genau wie Dichtel und Tang es experimentell beobachtet hatten.
Die Simulationen zeigten auch, dass die einzigen Nebenprodukte Fluorid - das häufig dem Trinkwasser zugesetzt wird, um Karies zu verhindern -, Kohlendioxid und Ameisensäure sein sollten, die nicht schädlich sind. Dichtel und Trang bestätigten diese vorhergesagten Nebenprodukte in weiteren Experimenten.
"Dies erwies sich als eine sehr komplexe Reihe von Berechnungen, die die modernsten quantenmechanischen Methoden und die schnellsten Computer, die uns zur Verfügung stehen, herausforderten", sagte Houk. "Die Quantenmechanik ist die mathematische Methode, mit der die gesamte Chemie simuliert wird, aber erst in den letzten zehn Jahren waren wir in der Lage, große mechanistische Probleme wie dieses anzugehen, alle Möglichkeiten zu bewerten und festzustellen, welche davon mit der beobachteten Geschwindigkeit eintreten können."
Li, so Houk, beherrscht diese Berechnungsmethoden, und er hat über weite Strecken mit Trang zusammengearbeitet, um das grundlegende, aber praktisch bedeutsame Problem zu lösen.
In der aktuellen Arbeit wurden 10 Arten von Perfluoralkylcarbonsäuren (PFCAs) und Perfluoralkylethercarbonsäuren (PFECAs), einschließlich Perfluoroctansäure (PFOA), abgebaut. Die Forscher glauben, dass ihre Methode für die meisten PFAS, die Carbonsäuren enthalten, funktioniert, und hoffen, dass sie dazu beitragen wird, Schwachstellen in anderen PFAS-Klassen zu identifizieren. Sie hoffen, dass diese ermutigenden Ergebnisse zu weiteren Forschungsarbeiten führen werden, bei denen Methoden zur Beseitigung der Tausenden von anderen PFAS-Arten getestet werden.
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Originalveröffentlichung
Brittany Trang et al.; Low-temperature mineralization of perfluorocarboxylic acids; Science; 2022
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