Plazma a toxikus PFAS vegyi anyagok ellen

A plazma- atmoszféra a reaktorban a jellemző ragyogás és a villámok felvillanása révén nyilvánvalóan látható. © Fraunhofer IGB / A plazma- atmoszféra egyértelműen látható a reaktorban a jellemző ragyogás és a villámok felvillanása révén. © Fraunhofer IGB

Plazmareaktor: Feszültség alkalmazásával a réz elektródán plazma keletkezik. A szennyezett vizet felfelé pumpálják, és egy réssel keresztül visszafolyik a plazma kisülési zónán keresztül, közben megtámadva a PFAS-t. / Plazmareaktor: A plazmát feszültség alkalmazásával hozzák létre a réz elektródán. A szennyezett vizet felfelé pumpálják, és egy réssel keresztül visszafolyik a plazma kisülési zónán, közben megtámadva a PFAS-t. © Fraunhofer IGB

Plazmareaktor: A plazmát azzal hozzák létre, hogy feszültséget alkalmaznak a réz elektródára. A szennyezett vizet felfelé pumpálják, majd visszafolyik a plazma kisülési zónán keresztül, közben megtámadva a PFAS-t. © Fraunhofer IGB

Kísérleti berendezés a PFAS eltávolítására. Az első sikeres próbák után a technológiát mostantól optimalizálják és méreteznek ipari alkalmazásokhoz. © Fraunhofer IGB / Pilot üzem a PFAS eltávolítására. Az első sikerek után a technológiát mostantól ipari méretekben is optimalizálják és skálázzák a gyakorlati alkalmazásokhoz. © Fraunhofer IGB

A PFAS nevű egészségre káros vegyi anyagok már számos talajban és víztestben kimutathatók. A hagyományos szűrőtechnikákkal történő eltávolításuk rendkívül időigényes és alig valósítható meg. A Fraunhofer Határfelületi és Biotechnológiai Intézet (IGB) kutatói sikeresen alkalmazzák a plazma-alapú technológiát az AtWaPlas közös projektben. A szennyezett vizet egy kombinált üveg- és rozsdamentes acél hengertartályba vezetik be, ahol az ionizált gázzal – a plazmával – kezelik. Ez csökkenti a PFAS molekulacsoportjait, így költséghatékony módon szüntethető meg a mérgező anyag.

A per- és polyfluorált alkilvegyületek, röviden: PFAS (angolul: per- és polyfluoroalkyl substances), sokoldalúak. Hő- és kémiailag stabilak, ugyanakkor víz-, zsír- és szennyeződéstaszítóak. Ennek megfelelően számos mindennapi alkalmazásban megtalálhatók: pizzás dobozokat, sütőpapírt, samponokat és krémeket is PFAS bevonattal látnak el. Az iparban tűzoltó- és hálózószerként használják őket. A mezőgazdaságban növényvédő szerekben fordulnak elő. Azonban mára már nyomukat is kimutathatják olyan helyeken, ahol nem kellene: a talajban, folyókban és felszíni vízben, élelmiszerekben és ivóvízben. Így végül a káros anyagok az emberi szervezetbe is bekerülnek. Kémiai stabilitásuk miatt a „örök vegyi anyagok” eltávolítása eddig szinte lehetetlen volt elfogadható erőfeszítéssel.

Az AtWaPlas közös projekt célja ennek megváltoztatása. Az akronímia az Atmoszféravíz-plazma-kezelést jelöli. A innovatív projekt jelenleg a stuttgarti Fraunhofer Határfelületi és Biotechnológiai Intézetben (IGB) zajlik, együttműködve az ipari partner HYDR.O-val. A projekt geológusok és mérnökök vezetik Aachenből. A cél a PFAS-szennyezett vízek feldolgozása és visszanyerése plazma-kezeléssel.

A kutatócsapat Dr. Georg Umlauf vezetésével, aki funkcionális felületek és anyagok szakértője, kihasználja a plazma képességét, hogy támadja a molekulacsoportokat. Az elektromosan vezető gázt elektronok és ionok segítségével magasfeszültség alkalmazásával állítják elő. „Kísérleteinkben sikerült a PFAS molekulacsoportjait rövidíteni a vízben. Ez fontos lépés a makacs szennyező anyagok hatékony eltávolítása felé” – örül Umlauf.

Vízkörforgás rozsdamentes acél hengertartályban

A folyamat során a Fraunhofer kutatói egy hengertartály szerkezetet alkalmaznak. A belsejében egy rozsdamentes acélcső található, amely az elektromos töltésű elektródát képezi. Egy külső réz háló működik magasfeszültségű elektródként, amelyet üveg dielektromos réteg választ el a belső tértől. Közöttük egy apró rés marad, amelyet levegő-gázkeverék tölt ki. Több kilovolt feszültség alkalmazásával ez a levegő-gázkeverék plazmává alakul. A szem számára a jellegzetes világítás és a villámszerű szikrák láthatók.

A tisztítási folyamat során a PFAS-szal szennyezett vizet a rozsdamentes acél tartály aljára vezetik be, majd felfelé pumpálják. A résen keresztül lefelé folyik, miközben átmegy az elektromosan aktív plazma- atmoszférán. A szikrázás során a plazma felbontja a PFAS molekulacsoportjait, rövidítve azokat. A víz egy zárt körben ismételten átfolyik a keményreaktoron és a plazma-kioldó zónán, minden alkalommal tovább csökkentve a PFAS molekulákat, egészen a teljes mineralizációig. „Ideális esetben a káros PFAS anyagokat teljesen eltávolítjuk, úgy, hogy azok már nem mutathatók ki tömegspektrometriás mérésekkel. Ezzel megfelelünk a szigorú ivóvíz-szabályozási előírásoknak is” – mondja Umlauf.

A hagyományos módszerekkel, például aktív szén szűréssel szemben, az a Fraunhofer Intézetben kifejlesztett technológia jelentős előnnyel bír: „Az aktív szén szűrők ugyan megkötik a káros anyagokat, de nem képesek eltávolítani őket. Ezért a szűrőket rendszeresen cserélni és ártalmatlanítani kell. Az AtWaPlas technológia viszont képes maradék nélkül eltávolítani a káros anyagokat, miközben nagyon hatékony és kevés karbantartást igényel” – magyarázza Umlauf.

Valódi vízminták szintetikusan előállított laboratóriumi minták helyett

A valódi gyakorlati alkalmazás biztosítása érdekében a Fraunhofer kutatói a plazma-tisztítást bizonyos mértékben megnehezített körülmények között tesztelik. A hagyományos vizsgálati módszerek tökéletesen tiszta vízzel és laboratóriumi szintetikus PFAS-oldatokkal dolgoznak. A stuttgarti kutatócsapat azonban „valódi” vízmintákat használ, amelyek PFAS-szennyezett területekről származnak. A mintákat Aachenből származó HYDR.O. Geológus és Mérnök GbR projektpartner szállítja. A vállalat az illegális hulladék felszámolására specializálódott, és hidrodinamikai szimulációkat is végez.

A valós vízminták, amelyeken Umlauf és csapata dolgozik, nemcsak PFAS-t, hanem más részecskéket, lebegő anyagokat és szerves szennyeződéseket is tartalmaznak. „Így biztosítjuk, hogy az AtWaPlas nemcsak szintetikus laboratóriumi mintákon, hanem valós körülmények között is bizonyítja tisztítási hatékonyságát, változó vízminőségek mellett. Emellett folyamatosan tudjuk finomhangolni és fejleszteni a folyamatparamétereket” – magyarázza Umlauf.

A plazma módszer más káros anyagok lebontására is alkalmazható. Ide tartoznak például gyógyszermaradványok a szennyvízben, peszticidek és gyomírtók, de ipari vegyszerek, például cián is. Emellett az AtWaPlas alkalmas a ivóvíz környezetbarát és költséghatékony feldolgozására mobil alkalmazásokban is.

A AtWaPlas közös projekt 2021 júliusában indult. A 5 literes reaktorral végzett sikeres laboratóriumi próbák után a Fraunhofer csapata a partnerekkel együtt dolgozik a módszer további optimalizálásán. Umlauf így fogalmaz: „Célunk most az, hogy a mérgező PFAS anyagokat hosszabb folyamatidőkkel és több ciklussal a tartályban teljesen eltávolítsuk, és az AtWaPlas technológiát a gyakorlatban is alkalmazhatóvá tegyük.” A jövőben az ilyen berendezéseket önálló tisztítási szintként is telepíthetik tisztítóművekben, vagy szállítható konténerekben a szennyezett szabadföldi területeken is alkalmazhatják.