Skuteczna adsorpcja perfluorooktanosulfonianu i perfluorobutanosulfonianu z roztworu wodnego na aminyfunkcjonalizowanych granulkach z ziemi okrzemkowej

Dlaczego uporczywe chemikalia w wodzie mają znaczenie

Wiele codziennych produktów — od patelni nieprzywierających i pojemników na wynos po piany gaśnicze — pozostawia po sobie klasę związków przemysłowych często nazywanych „chemikaliami wieczystymi”. Substancje te, znane jako PFAS, nie rozkładają się łatwo w środowisku i mogą gromadzić się w organizmach, gdzie powiązano je z rakiem, zaburzeniami odporności i problemami rozwojowymi. Przedstawione badanie bada prosty, niedrogi materiał filtracyjny wykonany z skamieniałych alg, który może z dużą skutecznością usuwać dwie powszechne substancje PFAS z wody i wielokrotnie nadawać się do ponownego użycia.

Nowe podejście do naturalnego filtra

Naukowcy skupili się na ziemi okrzemkowej, proszku powstałym ze skamieniałych pancerzyków mikroskopijnych alg. Sam w sobie materiał ten jest tani, powszechny, porowaty i już bywa stosowany w niektórych filtrach, ale nie wiąże PFAS na tyle silnie. Aby poprawić jego właściwości, zespół uformował proszek w małe granulki i pokrył ich powierzchnie cząsteczką zawierającą grupy bogate w azot, które mogą przyjmować ładunek dodatni. Tak zmodyfikowane granulki, nazwane APTES-DE, oferują wiele aktywnych miejsc przyciągających ujemnie naładowane „głowy” cząsteczek PFAS, jednocześnie zachowując porowatą strukturę umożliwiającą przepływ wody.

Testowanie granulek w praktyce

Naukowcy zbadali zmodyfikowane granulki za pomocą kilku technik obrazowania i analizy powierzchni, aby potwierdzić obecność nowej powłoki i dostępność porów wewnętrznych. Następnie sprawdzili, jak dobrze APTES-DE usuwa dwa szeroko wykrywane związki PFAS z wody: PFOS, mający dłuższy fluorowany łańcuch, oraz PFBS, wersję krótszą. W mieszanych eksperymentach wsadowych granulki usuwały do około 92% PFOS i 90% PFBS w warunkach optymalnych. Dane wykazały, że PFAS tworzyły wielowarstwowe pokrycie na nieregularnej powierzchni, a nie jednolitą, pojedynczą powłokę, co zgadza się z mozaikowym rozmieszczeniem silnych i słabszych miejsc wiązania na każdej cząstce.

Jak działa proces usuwania

Zmieniając czas kontaktu, stężenie, kwasowość wody i warunki przepływu, zespół rozdzielił główne siły stojące za wychwytywaniem PFAS. W warunkach lekko kwaśnych do obojętnych grupy azotowe na granulach ulegają nabiciu ładunkiem dodatnim, przyciągając ujemnie naładowane „głowy” PFAS poprzez oddziaływania elektrostatyczne. Jednocześnie hydrofobowe, fluorowane ogony PFAS są przyciągane do względnie mniej wodnego mikrośrodowiska na powierzchni granul, dodając efekt „przylepności” hydrofobowej. Wiązania wodorowe między PFAS a grupami powierzchniowymi krzemionki dodatkowo stabilizują te przyczepienia. Razem te siły tworzą silny, współdziałający uchwyt, szczególnie wobec PFAS o dłuższych łańcuchach, które prezentują większą powierzchnię hydrofobową do przylegania do granulek.

Z kolby laboratoryjnej do przepływowych kolumn

Ponieważ zakłady uzdatniania wody stosują ciągły przepływ, a nie stojące zbiorniki, badacze zapakowali granulki APTES-DE do przezroczystych kolumn i przepuszczali przez nie wodę skażoną PFAS. Wyższe warstwy granulek zatrzymywały PFAS przez dłuższy czas, opóźniając moment pojawienia się zanieczyszczeń na wylocie i zwiększając ogólną skuteczność usuwania. Wolniejsze prędkości przepływu również poprawiały wydajność, dając PFAS więcej czasu na dotarcie i związanie się z powierzchnią granulek. W tych próbach PFOS konsekwentnie wiązał się silniej i przełamywał później niż PFBS, podkreślając, jak długość łańcucha wpływa na wychwyt w systemach praktycznych.

Wielokrotne użycie filtra

Aby filtr był użyteczny na skalę przemysłową, musi dać się czyścić i ponownie używać bez znaczącej utraty pojemności. Tutaj nasycone granulki APTES-DE płukano mieszaniną alkoholu i łagodnego roztworu zasadowego, co poluzowywało PFAS i spłukiwało je. Po pięciu cyklach adsorpcji i regeneracji granulki wciąż usuwały ponad 95% początkowej pojemności dla PFOS i około 96% dla PFBS, wykazując jedynie niewielkie spadki. Ta trwałość, połączona z wysoką skutecznością usuwania i wykorzystaniem naturalnie obfitego surowca, sugeruje, że zmodyfikowana aminowo ziemia okrzemkowa może stać się praktyczną i bardziej zrównoważoną opcją do usuwania uporczywych zanieczyszczeń PFAS z zanieczyszczonych wód.

Cytowanie: Bano, A., Prasad, B., Dave, H. et al. Efficient adsorption of perfluorooctane sulfonate and perfluorobutane sulfonic acid from aqueous solution onto amine-functionalized diatomite granules. Sci Rep 16, 10368 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-41388-4

Słowa kluczowe: usuwanie PFAS, oczyszczanie wody, ziemia okrzemkowa, adsorpcja, chemikalia trwałe