اكتسبت مواد البيرفلوروألكيل والبولي فلورو ألكيل، أو PFAS، لقب المواد الكيميائية الأبدية نظرًا لقدرتها غير العادية على البقاء في البيئة لفترة طويلة بعد استخدامها.
هذه المركبات الاصطناعية، شائعة الاستخدام في المنتجات الاستهلاكية والتطبيقات الصناعية لخصائصها المقاومة للماء والشحوم، موجودة الآن عمليًا في كل مكان في البيئة.
في حين أن العديد من المواد الكيميائية سوف تتحلل بسرعة نسبية بعد التخلص منها، إلا أن PFAS يمكن أن تظل موجودة لمدة تصل إلى 1000 عام. تعتبر هذه المتانة رائعة لاستخدامها في رغاوي مكافحة الحرائق وأدوات الطهي غير اللاصقة والملابس المقاومة للماء وحتى تغليف المواد الغذائية.
ومع ذلك، فإن مرونتها تعني أنها تستمر في التربة والمياه وحتى الكائنات الحية. ويمكن أن تتراكم بمرور الوقت وتؤثر على صحة النظم البيئية والبشر.
أظهرت بعض الأبحاث الأولية وجود روابط محتملة بين التعرض لـ PFAS ومشكلات صحية مختلفة، بما في ذلك السرطان وتثبيط جهاز المناعة واختلال الهرمونات. وقد دفعت هذه المخاوف العلماء إلى البحث عن طرق فعالة لتحطيم هذه المواد الكيميائية العنيدة.
نحن فريق من الباحثين الذين طوروا نظامًا كيميائيًا يستخدم الضوء لتفكيك الروابط بين ذرات الكربون والفلور. تساعد هذه الروابط الكيميائية القوية PFAS على مقاومة التدهور. لقد نشرنا هذا العمل في مجلة Nature في نوفمبر 2024، ونأمل أن تساعد هذه التقنية في معالجة التلوث واسع النطاق الذي تسببه هذه المواد.
لماذا يصعب تحلل مركبات PFAS؟
تحتوي مركبات PFAS على روابط الكربون والفلور، وهي واحدة من أقوى الروابط في الكيمياء. هذه الروابط تجعل PFAS مستقرًا بشكل لا يصدق. إنها تقاوم عمليات التحلل التي عادة ما تؤدي إلى تحلل المواد الكيميائية الصناعية – بما في ذلك التحلل المائي والأكسدة والتحلل الميكروبي.
يمكن لطرق معالجة المياه التقليدية إزالة PFAS من الماء، ولكن هذه العمليات تقوم فقط بتركيز الملوثات بدلاً من تدميرها. عادةً ما يتم إرسال المواد المحملة بـ PFAS الناتجة إلى مدافن النفايات. وبمجرد التخلص منها، لا يزال من الممكن أن تتسرب مرة أخرى إلى البيئة.
تعتمد الطرق الحالية لكسر روابط الكربون والفلور على استخدام المعادن ودرجات الحرارة المرتفعة جدًا. على سبيل المثال، يمكن استخدام معدن البلاتين لهذا الغرض. وهذا الاعتماد يجعل هذه الأساليب باهظة الثمن، وتستهلك الكثير من الطاقة، ويصعب استخدامها على نطاق واسع.
كيف يعمل نظام التحفيز الضوئي الجديد لدينا
الطريقة الجديدة التي طورها فريقنا تستخدم محفزًا ضوئيًا عضويًا بحتًا. المحفز الضوئي هو مادة تعمل على تسريع التفاعل الكيميائي باستخدام الضوء، دون استهلاكه في هذه العملية. يستخدم نظامنا الطاقة من مصابيح LED الزرقاء الرخيصة لتحفيز مجموعة من التفاعلات الكيميائية.
بعد امتصاص الضوء، ينقل المحفز الضوئي الإلكترونات إلى الجزيئات التي تحتوي على الفلور، الذي يكسر روابط الكربون والفلور القوية.
من خلال استهداف وتفكيك البنية الجزيئية لـ PFAS بشكل مباشر، فإن أنظمة التحفيز الضوئي مثل أنظمةنا تمتلك القدرة على التمعدن الكامل. التمعدن الكامل هو عملية تحول هذه المواد الكيميائية الضارة إلى منتجات نهائية غير ضارة، مثل الهيدروكربونات وأيونات الفلورايد، والتي تتحلل بسهولة في البيئة. يمكن بعد ذلك إعادة امتصاص المنتجات المتدهورة بأمان بواسطة النباتات.
يشير التحفيز الضوئي إلى تسريع التفاعل باستخدام جزيئات ضوئية تسمى الفوتونات. مجموعة مياكي
التطبيقات والفوائد المحتملة
أحد الجوانب الواعدة لنظام التحفيز الضوئي الجديد هذا هو بساطته. الإعداد عبارة عن قارورة صغيرة مضاءة بواسطة مصباحين LED، مع إضافة مروحتين صغيرتين لإبقائها باردة أثناء العملية. وهي تعمل في ظل ظروف معتدلة ولا تستخدم أي معادن، والتي غالبًا ما يكون التعامل معها خطيرًا ويمكن أن تكون متفجرة في بعض الأحيان.
واعتماد النظام على الضوء ــ مصدر الطاقة المتجدد والمتوفر بسهولة ــ من شأنه أن يجعله مجدياً اقتصادياً ومستداماً. وبينما نقوم بتحسينه، نأمل أن يتمكن يومًا ما من العمل بأقل قدر ممكن من مدخلات الطاقة، خارج الطاقة التي تشغل الضوء.
يمكن لهذه المنصة أيضًا تحويل الجزيئات العضوية الأخرى التي تحتوي على روابط الكربون والفلور إلى مواد كيميائية قيمة. على سبيل المثال، الآلاف من الفلوروارينات متاحة عادة كمواد كيميائية صناعية وكواشف مختبرية. ويمكن تحويلها إلى وحدات بناء لصنع مجموعة متنوعة من المواد الأخرى، بما في ذلك الأدوية والمنتجات اليومية.
التحديات والاتجاهات المستقبلية
ورغم أن هذا النظام الجديد يُظهر إمكانياته، إلا أن التحديات لا تزال قائمة. حاليًا، لا يمكننا تحليل PFAS إلا على نطاق صغير. في حين أن إعدادنا التجريبي فعال، فإنه سيتطلب توسيع نطاقه بشكل كبير لمعالجة مشكلة PFAS على مستوى أكبر. بالإضافة إلى ذلك، فإن الجزيئات الكبيرة التي تحتوي على مئات من روابط الكربون والفلور، مثل التيفلون، لا تذوب في المذيب الذي نستخدمه في هذه التفاعلات، حتى في درجات الحرارة المرتفعة.
ونتيجة لذلك، لا يستطيع النظام حاليًا تحليل هذه المواد، ونحن بحاجة إلى إجراء المزيد من الأبحاث.
ونريد أيضًا تحسين استقرار هذه المحفزات على المدى الطويل. في الوقت الحالي، تتحلل هذه المحفزات الضوئية العضوية بمرور الوقت، خاصة عندما تكون تحت إضاءة LED ثابتة. لذا فإن تصميم المحفزات التي تحافظ على كفاءتها على المدى الطويل سوف يكون أمراً ضرورياً للاستخدام العملي على نطاق واسع. إن تطوير طرق لتجديد أو إعادة تدوير هذه المحفزات دون فقدان الأداء سيكون أيضًا أمرًا أساسيًا لتوسيع نطاق هذه التكنولوجيا.
نحن نخطط مع زملائنا في مركز التحفيز الضوئي المستدام للاختزال الضوئي، لمواصلة العمل على الحفز الموجه بالضوء، بهدف اكتشاف المزيد من التفاعلات المحفزة بالضوء والتي تحل المشكلات العملية. SuPRCat هو مركز غير ربحي تموله مؤسسة العلوم الوطنية للابتكار الكيميائي. تعمل الفرق هناك على تطوير تفاعلات من أجل تصنيع كيميائي أكثر استدامة.
الهدف النهائي هو إنشاء نظام يمكنه إزالة ملوثات PFAS من مياه الشرب في محطات التنقية، لكن هذا لا يزال بعيد المنال. نود أيضًا أن نستخدم هذه التكنولوجيا يومًا ما لتنظيف التربة الملوثة بـ PFAS، مما يجعلها آمنة للزراعة واستعادة دورها في البيئة.
تم إعادة نشر هذا المقال من The Conversation، وهي منظمة إخبارية مستقلة غير ربحية تقدم لك حقائق وتحليلات جديرة بالثقة لمساعدتك على فهم عالمنا المعقد. كتب بواسطة: أريندام ساو، جامعة كولورادو بولدر; ميهاي بوبيسكو, جامعة ولاية كولورادو، و شين ليو، جامعة ولاية كولورادو
اقرأ المزيد:
لا يعمل المؤلفون أو يستشيرون أو يمتلكون أسهمًا في أي شركة أو مؤسسة أو يتلقون تمويلًا منها قد تستفيد من هذه المقالة، ولم يكشفوا عن أي انتماءات ذات صلة بعد تعيينهم الأكاديمي.