Da neue Umweltvorschriften eingeführt werden, um die von der Industrie ausgemusterten langkettigen Chemikalien, die als PFAS bekannt sind, in Trinkwasser einzudämmen, gibt es Bedenken hinsichtlich einer neuen Art von „Ewig-Chemikalien“, die als kurzkettige PFAS bezeichnet werden. Forschungen der University of Illinois Urbana-Champaign tragen dazu bei, den Fokus auf die Minderung der Chemikalien zu verlagern – die laut Forschern genauso hartnäckig, mobiler und schwieriger aus der Umwelt zu entfernen sind als ihre langkettigen Gegenstücke.
Eine von Xiao Su, Professor für Chemie- und Biomolekulartechnik, geleitete Studie verwendet Elektrosorption anstelle von Filtern und Lösungsmitteln und kombiniert Synthese, Trennungstests und Computersimulationen, um bei der Entwicklung einer Elektrode zu helfen, die eine Reihe von kurzkettigen PFAS aus Umweltwässern anziehen und einfangen kann. Die Ergebnisse werden im veröffentlicht Zeitschrift der American Chemical Society.
„Eine der Herausforderungen bei der Arbeit mit kurzkettigen PFAS besteht darin, dass sie nicht gut untersucht sind. Wir wissen, dass sie weniger Kohlenstoff- und Fluoratome enthalten, was sie zu kürzeren Molekülen macht und daher beweglicher ist – oder freier für die Interaktion mit dem Natürlichen Umwelt“, sagte Su, der mit Diwakar Shukla, Professor für Chemie- und Biomolekulartechnik, zusammenarbeitete. „Ihre elektrostatischen Eigenschaften unterscheiden sich und sie sind hydrophiler, was bedeutet, dass sie sich eher mit Wassermolekülen verbinden. Diese Eigenschaften zusammen machen es schwieriger, sie von Wasser zu trennen als ihre langkettigen Gegenstücke.“
Die Unterschiede zwischen kurz- und langkettigen PFAS – und zwischen langkettigen PFAS im Allgemeinen – sind signifikant genug für das Team von Su, um seine zuvor entwickelte Elektrode zu überdenken, die entwickelt wurde, um langkettige PFAS aus der Umwelt und dem Trinkwasser anzuziehen, einzufangen und zu zerstören Quellen. PFAS ist eine Abkürzung für Perfluoralkyl- und Polyfluoralkyl-Substanzen.
„Eine Möglichkeit, sich das Verhalten von kurzkettigen PFAS vorzustellen, ist, dass sie nicht gerne in der Nähe von irgendetwas anderem als ihresgleichen sind“, sagte Su. „Um sie anzulocken, müssen wir sie also mit gepfropften Fluorgruppen – dem „F“ in PFAS – auf der Oberfläche einer Elektrode ködern.“
Die Verwandtschaft ist jedoch nicht die einzige Herausforderung, sagte Su.
„Die Länge der kurzkettigen PFAS-Moleküle variiert, was ihnen unterschiedliche physikalische Eigenschaften verleiht“, sagte Su. „Das bedeutet, dass wir in der Lage sein müssen, die Elektrode genau richtig einzustellen, um die kurzkettigen PFAS anzuziehen und schließlich freizusetzen, wobei das Verständnis der Wechselwirkungen auf molekularer Ebene der Schlüssel zum Erfolg ist.“
Die Studie beschreibt die sorgfältige Auswahl, Anpassung und Triangulation verschiedener Copolymermaterialien, um eine Elektrode zu entwickeln, die eine Reihe von kurzkettigen PFAS anziehen und ein elektrisches Feld induzieren kann, um die Freisetzung der Moleküle bei Bedarf zu unterstützen.
Su sagte, diese Arbeit sei ein entscheidender früher Schritt, um kurzkettige PFAS aus der Umwelt zu entfernen, die in vielen Branchen langkettige PFAS ersetzt haben.
„Wir haben noch viel zu tun“, sagte Su. „Zukünftige Studien werden sich darauf konzentrieren, die in dieser Studie entwickelten Elektroden mit elektrochemischen Abbaumethoden zu koppeln, um die Entfernung dieser hartnäckigen Schadstoffe aus der Umwelt sicherzustellen.“
Die Forscher Anaira Román Santiago, Jiho Lee und Johannes Elbert aus Illinois leiteten die experimentellen Untersuchungen innerhalb der Arbeit, während die Doktoranden Song Yin und Shukla die Computersimulationen leiteten.
Mehr Informationen:
Anaira Román Santiago et al, Imparing Selective Fluorophilic Interactions in Redox Copolymers for the Electrochemicalally Mediated Capture of Short-Chain Perfluoroalkyl Substances, Zeitschrift der American Chemical Society (2023). DOI: 10.1021/jacs.2c10963