Phương pháp đơn giản diệt “hóa chất vĩnh cửu” trong nước

Các nhà hóa học ở Đại học UCLA (University of California) và Northwestern đã phát triển một phương pháp đơn giản để bẻ gãy gần một tá các loại “hóa chất vĩnh cửu” (PFAS) gần như không thể phá hủy được ở một nhiệt độ khá thấp mà không cần dùng đến sản phẩm phụ độc hại nào, bài đăng trên trang Science Daily ngày 18/8 cho hay.

Các nhà nghiên cứu đã chỉ ra trong nước được đun sôi ở nhiệt độ 80-120 độ C, các thuốc thử và dung môi phổ biến, chi phí thấp có thể cắt đứt liên kết phân tử trong PFAS thuộc dạng chắc chắn nhất được biết đến, và bắt đầu một phản ứng hóa học “gặm dần phân tử” cho tới khi nó biến mất, giáo sư nghiên cứu và đồng tác giả Kendall Houk ở UCLA cho biết.

Đây là một tin tốt trong những báo cáo gần đây về nguồn nước trên Trái Đất bị ô nhiễm từ các hóa chất PFAS, loại chất có thể tồn tại hàng nghìn năm, khiến việc uống nước mưa không còn an toàn.

Houk nói thêm rằng công nghệ đơn giản, cùng với nhiệt độ thấp và việc không cần sản phẩm phụ gây hại nghĩa là có thể xử lý cùng lúc không giới hạn lượng nước.

Công nghệ này có thể khiến các nhà máy xử lý nước đơn giản loại bỏ PFAS khỏi nước uống.

Chất per- và polyfluoroalkyl (viết tắt là PFAS) là một nhóm gồm 12.000 hóa chất tổng hợp được dùng trong vô vàn các sản phẩm như là đồ bếp chống dính, đồ trang điểm không thấm nước, dầu gội, đồ điện tử và bao bì đóng gói thực phẩm.

Chúng chứa một liên kết nguyên tử Cacbon và Flo mà không có gì trong tự nhiên có thể cắt đứt.

Khi những hóa chất này rò rỉ vào môi trường từ quá trình sản xuất hay sử dụng đồ dùng hàng ngày, chúng trở thành một phần trong vòng tuần hoàn nước của Trái Đất. 

Trong suốt 70 năm qua, các chất PFAS đã làm ô nhiễm gần như mỗi giọt nước trên hành tinh, bên cạnh đó liên kết cacbon và flo mạnh giúp chúng vượt qua hầu hết các hệ thống xử lý nước mà vẫn hoàn toàn nguyên vẹn. 

Chúng có thể tích tụ trong mô cơ thể người và động vật và gây ra các tác hại mà giờ đây các nhà khoa học mới bắt đầu tìm ra. Ví dụ như một số bệnh ung thư và bệnh tuyến giáp có liên quan đến PFAS.

Vì những lý do này, việc tìm cách loại bỏ PFAS khỏi nước đang trở nên cấp bách hơn. 

Các nhà khoa học đang thử nghiệm những công nghệ trị liệu, nhưng hầu hết chúng đều đòi hỏi nhiệt độ cực kì cao, các hóa chất đặc biệt hoặc là ánh sáng tia cực tím, và đôi khi chúng tạo ra những sản phẩm phụ gây hại và lại cần thêm biện pháp để loại bỏ.

Giáo sư hóa học William Dichtel và nghiên cứu sinh Brittany Trang ở Đại học Northwestern nhận thấy rằng trong khi các phân tử PFAS chứa một “đuôi” liên kết cacbon-flo dài và cứng, phần “đầu” của chúng thường chứa những nguyên tử oxy tích điện mà phản ứng mạnh với các phân tử khác. 

Nhóm nghiên cứu của Dichtel đã xây dựng một “máy chém” hóa học bằng cách làm nóng chất PFAS ở trong nước với dimethyl sulfoxide (DMSO) và natri hydroxide hoặc là dung dịch kiềm. 

Máy chém này sẽ chặt phần “đầu” của phân tử PFAS và để lộ ra phần “đuôi” phản ứng.

“Cách thức này kích hoạt tất cả những phản ứng này, và nó bắt đầu phun ra những nguyên tử Flo từ những hợp chất này để hình thành fluorua, dạng nguyên tố Flo an toàn nhất”, Dichtel nói. “Mặc dù liên kết cacbon-flo là siêu mạnh, phần đầu tích điện của nó chính là 'gót chân Achilles”.

Nhưng những thử nghiệm còn tiết lộ một bất ngờ khác đó là những phân tử có vẻ không tan rã theo cách thông thường từng biết.

Để giải bí ẩn này, Dichtel và Trang đã chia sẻ những dữ liệu của họ cho Houk và sinh viên Yuli Li từ trường Đại học Thiên Tân, người ở Trung Quốc làm việc từ xa với nhóm của Houk trong đại dịch.

Các nhà nghiên cứu từng kỳ vọng rằng phân tử PFAS sẽ phân hủy mỗi lần một nguyên tử cacbon, nhưng Li và Houk đã chạy những mô phỏng trên máy tính và thấy rằng 2 hoặc 3 phân tử cacbon đồng thời bị tách ra, như khi Dichtel và Trang đã quan sát bằng thực nghiệm.

Các mô phỏng cũng cho thấy rằng các sản phẩm phụ sẽ chỉ là florua (thứ thường được thêm vào nước uống để ngăn ngừa sâu răng), carbon dioxide và axit formic, những chất đều không gây hại. 

Dichtel và Trang đã xác nhận những sản phẩm phụ được dự đoán này có trong những thử nghiệm tiếp theo.

Phương pháp hiện tại đã có thể phân hủy 10 loại chất PFCAs (axit perfluoroalkyl cacboxylic) và PFECAs (axit cacboxylic ete perfluoroalkyl), trong đó có PFOA (axit perfluorooctanoic).

Các nhà nghiên cứu tin rằng phương pháp của họ sẽ thành công cho hầu hết các chất PFAS chứa axit cacboxylic và hy vọng rằng nó sẽ giúp xác định những điểm yếu ở các loại chất PFAS khác. 

Họ hy vọng những kết quả đáng khích lệ này sẽ dẫn tới những nghiên cứu sâu hơn để thử nghiệm những phương pháp loại bỏ hàng nghìn loại chất PFAS khác. 

Nghiên cứu mang tên “Sự khoáng hóa ở nhiệt độ thấp của axit perfluorocarboxylic” này được hỗ trợ từ Quỹ Khoa học Quốc gia và được xuất bản trên trang Science Daily ngày 18/8.