Plazma przeciwko toksycznym chemikaliom PFAS

Atmosfera plazmowa jest wyraźnie widoczna w reaktorze dzięki charakterystycznemu blaskowi i błyskawicom. © Fraunhofer IGB / The plasma atmosphere is clearly visible in the reactor through the characteristic glow and flashes of light. © Fraunhofer IGB

Reaktor plazmowy: Podanie napięcia na elektrodę miedzianą powoduje powstanie plazmy. Zanieczyszczona woda jest pompowana w górę i przepływa z powrotem w dół przez szczelinę w strefie wyładowania plazmowego, podczas czego dochodzi do rozkładu PFAS. / Reaktor plazmowy: Plazma jest tworzona przez przyłożenie napięcia do elektrody miedzianej. Zanieczyszczona woda jest pompowana w górę i wraca w dół przez szczelinę w strefie wyładowania plazmowego, rozkładając PFAS. © Fraunhofer IGB

Reaktor plazmowy: Plazma jest tworzona przez zastosowanie napięcia do elektrody miedzianej. Zanieczyszczona woda jest pompowana w górę i spływa z powrotem przez szczelinę w strefie wyładowania plazmowego, atakując PFAS w tym procesie. © Fraunhofer IGB

Próba instalacji do eliminacji PFAS. Po pierwszych udanych próbach technologia ta ma zostać zoptymalizowana i skalowana do zastosowań praktycznych na skalę przemysłową. © Fraunhofer IGB / Instalacja pilotażowa do eliminacji PFAS. Po początkowym sukcesie prób technologia ta ma zostać zoptymalizowana i rozbudowana na skalę przemysłową. © Fraunhofer IGB

Niebezpieczne dla zdrowia chemikalia PFAS są obecnie wykrywalne w wielu glebach i wodach. Usunięcie ich za pomocą tradycyjnych technik filtracyjnych jest bardzo czasochłonne i praktycznie niemożliwe. Naukowcy z Instytutu Fraunhofer ds. Technologii Granic i Biotechnologii IGB skutecznie korzystają w ramach projektu partnerskiego AtWaPlas z technologii opartej na plazmie. Zanieczyszczona woda jest wprowadzana do połączonego cylindra ze szkła i stali nierdzewnej i tam poddawana obróbce za pomocą gazu zjonizowanego – plazmy. To redukuje łańcuchy cząsteczek PFAS, umożliwiając tym samym tanią eliminację toksycznej substancji.

Perfluorowane i polyfluorowane związki alkilowe, skrót: PFAS (ang.: per- and polyfluoroalkyl substances), mają wiele talentów. Są termicznie i chemicznie stabilne, a jednocześnie wodoodporne, tłuszczoodporne i odporne na brud. W związku z tym można je znaleźć w wielu codziennych zastosowaniach: opakowania do pizzy są nimi pokryte lub też papier do pieczenia, podobnie jak szampony i kremy. W przemyśle PFAS są używane jako środki gaśnicze i środki sieciujące. W rolnictwie stosuje się je w środkach ochrony roślin. Obecnie można jednak wykryć ślady PFAS tam, gdzie nie powinny się znajdować: w glebie, rzekach i wodach gruntowych, w żywności i wodzie pitnej. W ten sposób szkodliwe substancje ostatecznie trafiają do ludzkiego ciała. Ze względu na ich chemiczną stabilność, usunięcie tak zwanych chemikaliów wiecznościowych jest do tej pory trudne i wymaga dużego nakładu pracy.

Projekt partnerski AtWaPlas ma to zmienić. Akronim oznacza Obróbkę atmosferyczno-wodnego plazmowego. Innowacyjny projekt jest obecnie realizowany w Instytucie Fraunhofer ds. Technologii Granic i Biotechnologii IGB w Stuttgarcie we współpracy z partnerem przemysłowym HYDR.O. Geolodzy i inżynierowie z Akwizgranu prowadzą prace. Celem jest przygotowanie i odzysk wód zanieczyszczonych PFAS za pomocą obróbki plazmowej.

Zespół naukowców pod kierownictwem dr. Georga Umlaufa, eksperta od funkcjonalnych powierzchni i materiałów, korzysta z możliwości plazmy do atakowania łańcuchów cząsteczek substancji. Gaz przewodzący prąd elektryczny jest generowany z elektronów i jonów poprzez przyłożenie wysokiego napięcia. »W naszych eksperymentach z plazmą udało się skrócić łańcuchy cząsteczek PFAS w wodzie. To ważny krok w kierunku skutecznej eliminacji tych uporczywych zanieczyszczeń«, cieszy się Umlauf.

Obieg wodny w cylindrze ze stali nierdzewnej

Do tej metody naukowcy z Fraunhofer korzystają z cylindrycznej konstrukcji. Wewnątrz znajduje się rura ze stali nierdzewnej, która służy jako elektroda masowa obwodu elektrycznego. Zewnętrzna siatka miedziana pełni funkcję elektrody wysokiego napięcia i jest osłonięta od wewnątrz dielektrykiem z szkła. Pomiędzy nimi pozostaje niewielka szczelina, wypełniona mieszanką powietrza. Po przyłożeniu kilku kilowoltów napięcia ta mieszanka powietrza zamienia się w plazmę. Dla ludzkiego oka jest widoczna dzięki charakterystycznemu świeceniu i wyładowaniom w postaci błysków.

W procesie oczyszczania woda z zanieczyszczeniami PFAS jest wprowadzana na dno zbiornika ze stali i pompowana ku górze. W szczelinie między elektrodami płynie w dół i przechodzi przez aktywną elektrycznie atmosferę plazmową. Podczas wyładowania plazma rozbija łańcuchy cząsteczek PFAS, skracając je. Woda jest wielokrotnie przepompowywana w zamkniętym obiegu przez silniejszy reaktor i strefę wyładowań plazmowych w szczelinie, za każdym razem łańcuchy PFAS są dalej redukowane aż do pełnej mineralizacji. »W idealnym przypadku szkodliwe PFAS są całkowicie usuwane, tak że nie można ich już wykryć w pomiarach spektrometrii mas. W ten sposób spełnione są również rygorystyczne przepisy dotyczące zawartości PFAS w wodzie pitnej«, mówi Umlauf.

W porównaniu z tradycyjnymi metodami, takimi jak filtracja za pomocą aktywnego węgla, technologia opracowana w Instytucie Fraunhofer ma istotną przewagę: »Filtry z aktywnego węgla mogą wiązać szkodliwe substancje, ale nie mogą ich usunąć. W związku z tym filtry muszą być regularnie wymieniane i utylizowane. Technologia AtWaPlas natomiast może bezresztkowo eliminować szkodliwe substancje, pracując bardzo wydajnie i bez konieczności częstej konserwacji«, wyjaśnia ekspert Fraunhofer Umlauf.

Rzeczywiste próbki wody zamiast syntetycznych próbek laboratoryjnych

Aby zapewnić praktyczną wiarygodność, naukowcy z Fraunhofer testują oczyszczanie plazmowe w warunkach zbliżonych do rzeczywistych. Konwencjonalne metody testowe pracują na idealnie czystej wodzie i w laboratorium na syntetycznie przygotowanych roztworach PFAS. Zespół badawczy w Stuttgarcie korzysta jednak z »prawdziwych« próbek wody pochodzących z terenów zanieczyszczonych PFAS. Próbki są dostarczane przez partnera projektu, firmę HYDR.O. Geolodzy i inżynierowie z Akwizgranu. Firma ta specjalizuje się w rekultywacji terenów zanieczyszczonych i prowadzi również symulacje hydrodynamiczne.

Realne próbki wody, z którymi pracuje Umlauf i jego zespół, zawierają więc oprócz PFAS także inne cząstki, zawiesiny i związki organiczne. »W ten sposób zapewniamy, że AtWaPlas nie tylko działa na syntetycznych próbkach laboratoryjnych, ale także w warunkach rzeczywistych, z różnymi jakością wody. Jednocześnie możemy na bieżąco dostosowywać i rozwijać parametry procesu«, wyjaśnia Umlauf.

Metoda plazmowa może być również stosowana do rozkładu innych szkodliwych substancji. Należą do nich np. pozostałości leków w ściekach, pestycydy i herbicydy, a także chemikalia przemysłowe, takie jak cyjanek. Ponadto AtWaPlas może być wykorzystywana do ekologicznego i ekonomicznego przygotowania wody pitnej w mobilnych systemach.

Projekt partnerski AtWaPlas rozpoczął się w lipcu 2021 roku. Po udanych seriach testów na skalę techniczną z reaktorem o pojemności 5 litrów, zespół Fraunhofer wspólnie z partnerem pracuje nad dalszą optymalizacją metody. Georg Umlauf mówi: »Naszym celem jest teraz całkowite wyeliminowanie toksycznych PFAS poprzez wydłużenie czasu procesu i zwiększenie liczby cykli w zbiorniku, a także udostępnienie technologii AtWaPlas do zastosowań praktycznych na większą skalę.« W przyszłości odpowiednie instalacje mogą być również montowane jako odrębne etapy oczyszczania w oczyszczalniach ścieków lub w kontenerach transportowych na zanieczyszczonych terenach otwartych.