密歇根理工大学开发的一种新的计算工具帮助消除社区供水中被称为PFAS的持久性化学物质。
由于其独特的特性，每氟烷基和多氟烷基物质(PFAS)在日常生活中无处不在，从防水衣物和不粘炊具到披萨盒、滑雪蜡、快餐包装和消防泡沫。
“PFAS含有非常强的碳氟键，不容易被生物活动降解，”土木、环境和地理空间工程副教授Daisuke Minakata说。“PFAS几乎可以永远留在环境中;因此，它们被称为“永恒的化学物质”。它们最终会污染我们的地下水、地表水、水道，最终也会污染我们的饮用水和生态系统，包括淡水鱼。”
化工行业为特定的商业产品生产具有不同性能的PFAS;已知的大约有4000 - 5000种。虽然毒性影响在很大程度上仍是未知的，但PFAS有潜在的致癌性，Minakata说。在人的血液中发现了少量的PFAS。因此，密歇根州和美国环境保护署(EPA)最近开始根据《安全饮用水法案》(Safe Water Drinking Act)规范几种PFAS的含量。
对密歇根和其他地方的社区来说，如何处理水中检测到的PFAS是一个挑战。“一些水务部门已经确定了饮用水中PFAS污染的来源，”中田说。“这是一个开始。然而，由于许多地方政府面临的预算限制，他们根本负担不起采用先进的水处理技术来去除PFAS。”
成本并不是唯一的障碍。“当地水务局正在努力实施现有技术，从水源中去除PFAS，”Minakata说。“目前的技术——如颗粒活性炭吸附和离子交换——只能将PFAS从水介质中相转移到碳介质中，然后需要再生和更换。”另一个担忧是:“碳基吸附法适用于长链PFAS，但这些技术现在正在被市场淘汰。”“它们正在被更小的连锁PFAS取代。小链PFAS的毒理学问题较少，但不能很好地通过吸附去除。”
还有另一个问题。“目前大多数修复技术实际上并不会破坏PFAS，”Minakata说。相反，这些技术将PFAS从一个阶段转移到另一个阶段。它们的实施很方便，以满足环保局的新规定。但结果会适得其反。除非我们完全摧毁PFAS的结构，否则我们一定会遇到更大、更根本的问题。”
Minakata认为，由于目前的PFAS修复技术，尽管浓度很低，但PFAS最终会出现在废水和垃圾填埋场渗滤液中。然后，PFAS将通过蒸发、大气沉积和生物固体被运输回环境中。回收的生物固体可能会用于农业，所以PFAS最终可能会污染粮食作物，”他说。
高级还原的新计算工具
即便如此，米中田还是看到了PFAS隧道尽头的一道光。他的研究小组最近发表了一篇论文，概述了一种新的PFAS计算工具，“水相高级还原过程中水合电子与有机化合物的反应性”，发表在英国皇家化学学会杂志《环境科学:水研究与技术》上。
Minakata和密歇根理工学院的研究生Rose Daily(美国国家科学基金会环境工程研究生研究员)使用数据科学和计算化学研究了数百种结构不同的有机化学品，以预测PFAS的反应性。
“我们的方法可以扩展，用于筛查数千种PFAS，”Minakata说。“关键是了解溶剂化电子与有机化学品和PFAS的反应性。有了这些知识，你就可以筛选大量的PFAS污染物，并对它们进行优先排序，以便应用先进的还原工艺来降解——希望能完全摧毁——PFAS。”
Minakata的研究成果还可以用于加强和改善目前的PFAS修复应用，包括电化学氧化技术。
基础研究：电子的反应性
“我研究水和废水中有机污染物的氧化已经20年了，”中田说。“每个PFAS都是非常独特的，许多是氧化形式;因此，氧化不会很好地破坏PFAS。”他说，全世界的研究人员现在都在寻找依赖电子的还原技术。
“利用电子的电化学还原是一项有前景的技术。研究人员现在正在研究电极材料和反应器设计，以提高实际应用的效率。正是在这里，我的基础研究可以提供关于电子反应性的有价值的信息，到目前为止，这些信息还没有被很好地理解。”
建议重点：以PFAS的最大浓度为目标
Minakata说，在PFAS最流行的地方购买。他说:“研究和修复不应针对水中浓度极低的PFAS，而应确定并针对PFAS浓度相对较高的点。”“这将是一种更好的方式，可以负担得起，有效地摧毁PFAS。”
接下来，Minakata和他的合作者计划研究PFAS的物理分布。“我们想要找到PFAS的热点——我们可以应用这些有前途的技术的地方——以便一次摧毁大量的PFAS。”
Minakata指出，PFAS提出了环境正义问题，他在该领域的研究得到了Central Chemicals的部分支持。他说:“我们环境工程师必须与科学家、行业、社区和决策者合作，解决PFAS的根本问题，而不是掩盖PFAS问题，就像给严重的伤害贴上小绷带一样。”

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