Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) araştırmacıları, endüstriyel kimyasalların geniş bir ailesi olan ve doğal ile geleneksel arıtma süreçlerine direnç göstermesiyle bilinen per- ve polifloroalkil maddeleri (PFAS) yok etmek için iki teknoloji üzerinde çalışıyor.
İlk yöntem, kirli suda küçük buhar kabarcıkları oluşturup çökerten hidrodinamik kavitasyonu kullanıyor. İkincisi ise soğuk atmosferik plazmayı gaz dağıtımıyla birleştiriyor. Helmholtz Çevre Araştırmaları Merkezi'ndeki (UFZ) uzmanlar tarafından yapılan analizler, PFAS moleküllerinin parçalandığını ve işlem sırasında florür salındığını doğruladı.
Teknolojiler ticari kullanım için yeterince geliştirildiğinde, endüstrilerin nehir, göl ve okyanuslara ulaşmadan önce kirli atık suları arıtmasına yardımcı olabilir.
PFAS Neden Bu Kadar Zor Yok Ediliyor?
Bazı PFAS'ların genetik materyale zarar verdiği ve kanser riskini artırdığından şüpheleniliyor, ancak bu gruptaki birçok bileşiğin biyolojik etkileri hâlâ tam olarak anlaşılamamış durumda. 10.000'den fazla kısa ve uzun zincirli endüstriyel kimyasal PFAS olarak sınıflandırılıyor.
Olağanüstü dayanıklılıkları, organik kimyadaki en güçlü bağlar arasında yer alan oldukça kararlı karbon-flor bağlarından geliyor. Bu direnç, PFAS'a 'sonsuz kimyasallar' lakabını kazandırdı.
PFAS, atık sular yoluyla nehir ve okyanuslara karışabiliyor ve artık dünyanın dört bir yanına yayılmış durumda. Araştırmacılar yakın zamanda Elbe Nehri'nde de yüksek konsantrasyonlar tespit etti ve bu durum bitkiler, hayvanlar ve insanlar için potansiyel bir sağlık riski oluşturuyor.
Almanya'nın su kaynaklarını korumayı ve ülkenin içme suyu arzını güvence altına almayı amaçlayan 'Ulusal Su Stratejisi'nin bir parçası olarak HZDR'deki bilim insanları, PFAS kirliliğini azaltmanın ve kimyasalları basitçe uzaklaştırmak veya yerini değiştirmek yerine sistematik olarak yok etmenin yollarını araştırıyor.
2022'de başlatılan bir ön çalışma, doktora sonrası araştırmacı Dr. Ysabel Huaccallo-Aguilar liderliğinde yürütüldü. Ekibi, hidrodinamik kavitasyonun sudaki PFAS'ı parçalayıp parçalayamayacağını inceledi.
Çöken Kabarcıklar Aşırı Koşullar Yaratıyor
HZDR Su ve Çevre Teknolojileri Bölümü başkanı Dr. Sebastian Reinecke, 'Hidrodinamik kavitasyonda, PFAS ile zenginleştirilmiş suyu bir daralmadan geçirerek küçük buhar kabarcıkları oluşturuyoruz' diye açıklıyor.
Uzun zincirli PFAS'lar yüzey aktif maddeler gibi davranarak kabarcıkların üzerinde toplanıyor. Su daralan bölgenin ötesine geçtiğinde basınç yükseliyor ve kabarcıklar şiddetle çöküyor.
Reinecke, 'Kabarcıklar, daralmadan sonraki suda artan ortam basıncı altında patladığında, kabarcıklara tutunan PFAS, birkaç bin santigrat derecelik yerel sıcaklık artışlarına maruz kalıyor' diye anlatıyor.
Kavitasyon ayrıca oldukça reaktif hidroksil radikalleri de oluşturuyor. Bu moleküller yakındaki maddelerle kolayca reaksiyona giriyor ve PFAS parçalanmasının ilk aşamalarında üretilen bileşiklerin yok edilmesine yardımcı olabiliyor.
'Hipotezimiz, ara ürünlere saldırarak PFAS bozunmasını önemli ölçüde artırdıkları yönünde.'
Huaccallo-Aguilar ve meslektaşları, kavitasyonun musluk suyundaki PFAS'ı parçalayabildiğini ve aynı zamanda organik olarak bağlı florini mineralize edebildiğini gösterdi. Tedavi devam ettikçe, suda ölçülen florür miktarı istikrarlı bir şekilde arttı; bu da florinin orijinal PFAS moleküllerinden ayrıldığını gösteriyor.
Deneyler, PFAS ailesinin iyi bilinen ve son derece kalıcı bir üyesi olan perflorooktan sülfonata (PFOS) odaklandı. Testin sonunda, süreç çözünmüş PFOS moleküllerinin yaklaşık yüzde 37'sini parçalarken, sabit bir parçalanma oranını korudu.
Reinecke, 'Şimdi parçalanma oranını artırmak için takip deneyleri yapıyoruz. Amacımız, süreci çözeltideki PFAS'ın yüzde 80'inden fazlasını parçalayacak ve kimyasallara bağlı florinin yüzde 50'sinden fazlasını mineralize edecek şekilde iyileştirmek - yani PFAS'a özgü karbon-flor bağlarını kırmak' diye açıklıyor.
Soğuk Plazma PFAS'a Hızla Saldırıyor
Ayrı bir dizi deneyde, çevre mühendisi Dr. Amit Kumar, PFAS'ı yok etmek için soğuk atmosferik plazmayı gaz dağıtımıyla birleştirdi.
Yöntem, normal çevre koşullarında çalışıyor ve katalizör veya ek kimyasal gerektirmiyor. Kumar, doktora araştırması sırasında plazma tarafından üretilen reaktif kimyasal türlerin mikrokirleticileri nasıl parçalayabileceğini incelemişti. Bu bulguları PFAS deneyleri için uyarladı.
Sebastian Reinecke deney düzeneğini şöyle anlatıyor: 'Su yüzeyinde plazma oluştururken aynı anda PFAS ile kirlenmiş suya gaz verdik. PFAS, gaz kabarcıklarının yüzeyine tutunuyor. Yükseldikçe su sürekli olarak sirküle ediliyor. Bu, PFAS'ı yüzeye getiriyor ve burada plazmada parçalanıyorlar.'
Plazma tedavisi, hem uzun hem de kısa zincirli PFAS'ı neredeyse tamamen parçaladı. Ayrıca, kimyasallara bağlı flor atomlarının yaklaşık yüzde 35'ini serbest bırakarak florür tuzlarına dönüştürdü.
Sonuçlar kavitasyonla üretilenlerden daha hızlıydı, ancak yöntemin önemli dezavantajları da vardı.
Reinecke, 'Bu yöntem kavitasyondan önemli ölçüde daha hızlı reaksiyon kinetiğine sahip olsa da, birim hacim başına çok daha fazla enerji tüketiyor. Ayrıca, süreç henüz ayrıntılı olarak inceleyemediğimiz çok sayıda dönüşüm ürünü üretiyor - örneğin, reaksiyon sırasında oluşan gaz halindeki bileşikler' diye belirtiyor.
Bu dönüşüm ürünlerinden herhangi birinin sağlık riski oluşturup oluşturmadığını belirlemek için ek deneyler yapılıyor. Araştırmacılar ayrıca potansiyel olarak tehlikeli maddelerin oluşmasını önlemenin yollarını da belirlemek istiyor.
Kavitasyon ve Plazmanın Birleştirilmesi
Ekip şimdi plazma sistemini daha büyük miktarlarda kirli suyu arıtmak için uyarlıyor. Araştırmacılar, birden fazla elektrot ve teknik bir gaz enjektörü kullanarak reaksiyon hacmini yaklaşık 50 mililitreden beş litreye çıkarıyor.
Uzun vadeli hedefleri ise plazma tedavisini hidrodinamik kavitasyonla birleştirerek her iki teknolojinin güçlü yönlerini tek bir sistemde toplamak.
Reinecke, 'Plazmadaki oldukça reaktif türleri kavitasyonun etkileriyle birleştirerek yüksek parçalanma oranlarına ulaşacağımıza inanıyorum' diyor.
Birleşik yaklaşım başarılı olursa, kimyasallar çevreye yayılmadan önce kirli sudaki PFAS'ı yok etmek için yeni ve daha verimli bir teknolojiye yol açabilir.
Bu araştırma, Helmholtz Derneği'nin Temiz Su Teknolojisi Laboratuvarı (CLEWATEC) aracılığıyla Impulse ve Ağ Oluşturma Fonu tarafından finanse edilmiştir. 'HyKaPro SAB-EFRE' ve 'Plasma4PFAS SAB-EFRE' projeleri, Avrupa Birliği ve Saksonya Parlamentosu tarafından eyalet bütçesinde onaylanan vergi gelirleri tarafından ortaklaşa finanse edilmektedir.
