Plazma proti toxickým chemikáliím PFAS

Plazmová atmosféra je v reaktoru jasně viditelná díky charakteristickému záření a výbojům blesků. © Fraunhofer IGB / Plazmová atmosféra je v reaktoru jasně viditelná díky charakteristickému záření a výbojům blesků. © Fraunhofer IGB

Plazma reaktor: Plazma je vytvořena přiložením napětí na měděnou elektrodu. Kontaminovaná voda je čerpána nahoru a vrací se dolů skrz mezeru v zóně s plazmovým výbojem, při čemž dochází k útoku na PFAS. / Plasma reaktor: Plazma je vytvořena přiložením napětí na měděnou elektrodu. Kontaminovaná voda je čerpána nahoru a vrací se dolů skrz mezeru v zóně s plazmovým výbojem, při čemž dochází k útoku na PFAS. © Fraunhofer IGB

Plazmový reaktor: Plazma je vytvořena aplikací napětí na měděnou elektrodu. Kontaminovaná voda je čerpána vzhůru a poté se vrací dolů skrz mezeru v zóně plazmového výboje, čímž dochází k rozkladu PFAS v procesu. © Fraunhofer IGB

Zkušební zařízení pro eliminaci PFAS. Po prvních úspěšných pokusech má být technologie nyní optimalizována a rozšířena pro praktické použití v průmyslovém měřítku. © Fraunhofer IGB / Pilotní zařízení pro eliminaci PFAS. Po počátečním úspěchu zkoušek má být technologie nyní optimalizována a rozšířena pro praktické použití na průmyslové úrovni. © Fraunhofer IGB

Chemikálie PFAS, které jsou škodlivé pro zdraví, jsou nyní prokazatelné v mnoha půdách a vodách. Odstranění pomocí běžných filtračních technik je velmi náročné a téměř nemožné. Výzkumníci z Fraunhoferova institutu pro techniku hranic a biotechnologie IGB úspěšně používají v rámci společného projektu AtWaPlas technologii založenou na plazmě. Kontaminovaná voda je vedena do kombinovaného skleněného a nerezového válcového zařízení, kde je ošetřována ionizovaným plynem – plazmou. To snižuje molekulové řetězce PFAS a umožňuje tak nákladově efektivní odstranění toxické látky.

Per- a polyfluorované alkylové sloučeniny, zkráceně PFAS (anglicky: per- and polyfluoroalkyl substances), mají mnoho schopností. Jsou termicky a chemicky stabilní, přitom odpuzují vodu, tuk a nečistoty. Proto je najdeme v mnoha běžných aplikacích: Pizzové krabice jsou jimi potažené nebo i pečicí papír, stejně jako šampony a krémy. V průmyslu se PFAS používají jako hasicí a sítěcí prostředek. V zemědělství jsou používány v prostředcích na ochranu rostlin. Nyní však lze stopy PFAS prokázat i tam, kde by neměly být: v půdě, v řekách a podzemních vodách, v potravinách a v pitné vodě. Tímto způsobem se škodlivé látky dostávají i do lidského těla. Kvůli své chemické stabilitě je odstraňování tzv. věčných chemikálií dosud s přiměřenou námahou téměř nemožné.

Společný projekt AtWaPlas má tento stav změnit. Zkratka označuje Atmosféricko-vodní plazmové ošetření. Inovativní projekt je v současnosti vyvíjen v rámci Fraunhoferova institutu pro techniku hranic a biotechnologie IGB ve Stuttgartu ve spolupráci s průmyslovým partnerem HYDR.O. Geologové a inženýři z Aachenu jej vedou. Cílem je úprava a zpětné získávání vody kontaminované PFAS pomocí plazmového ošetření.

Výzkumný tým kolem Dr. Georga Umlaufa, experta na funkční povrchy a materiály, využívá schopnost plazmy napadat molekulové řetězce látek. Elektricky vodivé plyny jsou vytvářeny z elektronů a iontů pomocí napětí vysokého napětí. „V našich pokusech s plazmou se podařilo zkrátit molekulové řetězce PFAS ve vodě. Je to důležitý krok směrem k efektivnímu odstranění těchto odolných škodlivých látek,“ těší se Umlauf.

Vodaoběhový systém v nerezovém válci

Pro tento proces využívají výzkumníci z Fraunhoferova institutu válcovitý konstrukční prvek. Uvnitř je nerezová trubka, která slouží jako hmotová elektroda obvodu. Vnější měděná síťka funguje jako elektroda s vysokým napětím a je chráněna skleněným dielektrikem. Mezi nimi zůstává malá mezera, která je naplněna směsí vzduchu. Při aplikaci několika kilovoltů napětí se tato směs vzduchu přemění na plazmu. Pro lidské oko je viditelná díky charakteristickému záření a výboji ve formě blesků.

V procesu čištění je voda kontaminovaná PFAS vedena na dno nerezové nádrže a čerpána vzhůru. V mezeře mezi elektrodami proudí směrem dolů a prochází aktivní plazmatickou atmosférou. Při výboji plazma rozkládá molekulové řetězce PFAS a zkracuje je. Voda je v uzavřeném cyklu opakovaně čerpána přes výkonný reaktor a plazmovou výbojovou zónu v mezeře, přičemž se molekulové řetězce PFAS dále snižují až do úplné mineralizace. „Ideálně jsou škodlivé PFAS látky tak úplně odstraněny, že již nejsou detekovatelné pomocí hmotnostní spektrometrie. Tím jsou splněny i přísné předpisy na obsah PFAS v pitné vodě,“ říká Umlauf.

Na rozdíl od běžných metod, například filtrace aktivním uhlím, má technologie vyvinutá v institutu Fraunhofer zásadní výhodu: „Filtry s aktivním uhlím sice dokážou škodlivé látky vázat, ale ne je odstranit. Proto je třeba filtry pravidelně měnit a likvidovat. Technologie AtWaPlas však dokáže škodlivé látky zcela eliminovat bez zbytků a pracuje velmi efektivně a s nízkou údržbou,“ vysvětluje expert Fraunhofer Umlauf.

Skutečné vzorky vody místo syntetických laboratorních vzorků

Aby byla zajištěna skutečná praktická použitelnost, testují výzkumníci z Fraunhoferova institutu čištění plazmou v podmínkách, které jsou ztížené. Konvenční testovací metody pracují s dokonale čistou vodou a v laboratoři s uměle připravenými roztoky PFAS. Tým výzkumníků ve Stuttgartu však používá „skutečné“ vzorky vody pocházející z oblastí kontaminovaných PFAS. Tyto vzorky jsou dodávány od projektového partnera HYDR.O. Geologové a inženýři z Aachenu. Společnost se specializuje na sanaci starých ekologických zátěží a vedle toho provádí hydrodynamické simulace.

Reálné vzorky vody, se kterými Umlauf a jeho tým pracují, obsahují kromě PFAS i další částice, suspendované látky a organické zbytky. „Tímto způsobem zajišťujeme, že AtWaPlas prokáže svůj čisticí efekt nejen na syntetických laboratořních vzorcích, ale i za reálných podmínek s proměnlivou kvalitou vody. Současně můžeme průběžně upravovat a zdokonalovat parametry procesu,“ vysvětluje Umlauf.

Plazmová metoda může být také využita k rozkladu jiných škodlivých látek, například zbytků léků v odpadních vodách, pesticidů a herbicidů, ale i průmyslových chemikálií, jako je kyanid. Kromě toho je AtWaPlas vhodný i pro ekologickou a nákladově efektivní úpravu pitné vody v mobilních zařízeních.

Společný projekt AtWaPlas byl zahájen v červenci 2021. Po úspěšných zkušebních sériích na pilotním zařízení s reaktorem o objemu 5 litrů pracuje tým Fraunhoferův společně s partnery na dalším zlepšení technologie. Georg Umlauf říká: „Naším cílem je nyní úplně odstranit toxické PFAS pomocí prodloužených časů procesu a více cyklů v nádrži a zpřístupnit technologii AtWaPlas i pro praktické použití ve větším měřítku.“ V budoucnu by mohly být takové zařízení instalována jako samostatná čistící stupně v čistírnách odpadních vod nebo v přenosných kontejnerech na kontaminovaných volných plochách.“