Эффективная адсорбция перфтороктансульфоната и перфторбутансульфоновой кислоты из водных растворов на амин-функционализированных гранулах диатомита

Почему стойкие химикаты в воде имеют значение

Многие повседневные изделия — от антипригарных сковород и контейнеров для еды на вынос до огнегасительных пен — оставляют после себя класс промышленных соединений, часто называемых «вечными химикатами». Эти вещества, известные как PFAS, плохо разлагаются в природе и могут накапливаться в организме, где их связывают с раком, нарушениями иммунной системы и проблемами развития. В исследовании, резюмированном здесь, рассматривается простой и недорогой фильтрующий материал из окаменевших водорослей, который способен с высокой эффективностью удалять два распространённых PFAS из воды и многократно применяться повторно.

Новый подход к природному фильтру

Учёные сосредоточились на диатомите — порошке, образованном из окаменевших раковин микроскопических водорослей. Сам по себе этот материал дешев, доступен, порист и уже применяется в некоторых фильтрах, но он недостаточно эффективно связывает PFAS. Чтобы повысить его свойства, командa сформировала порошок в мелкие гранулы и покрыла их поверхность молекулой, содержащей азотсодержащие группы, которые могут нести положительный заряд. Эти обработанные гранулы, названные APTES-DE, предоставляют множество активных точек, притягивающих отрицательно заряженные головки молекул PFAS, при этом сохраняя пористую структуру, обеспечивающую протекание воды.

Испытание гранул

Учёные исследовали модифицированные гранулы с помощью нескольких методов визуализации и анализа поверхности, чтобы подтвердить наличие нового покрытия и доступность внутренних пор. Затем они протестировали, насколько хорошо APTES-DE удаляет два широко распространённых PFAS: PFOS с более длинной фторированной цепью и PFBS — более короткий аналог. В экспериментах в перемешиваемых пробирках гранулы удаляли до примерно 92% PFOS и 90% PFBS при оптимальных условиях. Данные показали, что PFAS образуют несколько слоёв на неровной поверхности, а не единое равномерное покрытие, что соответствует неравномерному распределению сильных и слабых сайтов связывания по каждой частице.

Как работает процесс удаления

Меняя время контакта, концентрацию, кислотность воды и условия потока, команда выделила основные силы, определяющие захват PFAS. При слегка кислой или нейтральной pH-реакции азотсодержащие группы на гранулах приобретают положительный заряд, притягивая отрицательно заряженные головки PFAS за счёт электростатического взаимодействия. Одновременно водоотталкивающие фторированные хвосты PFAS тянутся к относительно менее водной микросреде на поверхности гранул, добавляя гидрофобную «липкость». Водородные связи между PFAS и группами на поверхности кремнезёма дополнительно стабилизируют эти соединения. Вместе эти силы создают сильное кооперативное сцепление, особенно для PFAS с более длинной цепью, у которых больше гидрофобной поверхности для захвата гранулами.

От лабораторного стаканчика к проточным колоннам

Поскольку на реальных очистных сооружениях используют непрерывный поток, а не статические ёмкости, исследователи упаковали гранулы APTES-DE в прозрачные колонны и прокачивали через них воду, заражённую PFAS. Более высокие слои гранул удерживали PFAS дольше, отсрочивая момент появления загрязнителей на выходе и повышая общую степень удаления. Более медленные расходные скорости также улучшали эффективность, давая PFAS больше времени, чтобы достичь и связаться с поверхностью гранул. На протяжении всех испытаний PFOS последовательно фиксировался сильнее и прорывался позже, чем PFBS, подчёркивая, как длина цепи влияет на захват в практических системах.

Многократное повторное использование фильтра

Для того чтобы фильтр был полезен в масштабах, его нужно уметь очищать и повторно использовать без значительной потери ёмкости. В этом исследовании насыщенные гранулы APTES-DE промывали смесью спирта и мягкого щёлочного раствора, что ослабляло PFAS и смывало их. После пяти циклов адсорбции и регенерации гранулы по-прежнему удерживали более 95% первоначальной ёмкости по PFOS и около 96% по PFBS, показывая лишь незначительное снижение. Эта долговечность в сочетании с высокой эффективностью удаления и использованием природно доступного исходного материала предполагает, что амин-модифицированный диатомит может стать практичным и более устойчивым вариантом для удаления стойких PFAS-загрязнителей из заражённых вод.

Цитирование: 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

Ключевые слова: удаление PFAS, очистка воды, диатомит, адсорбция, «вечные» химикаты