Ультрафиолет раскрыл путь разрушения вечных химикатов PFAS в воде

Инженеры Калифорнийского университета в Риверсайде (UC Riverside) установили ключевые химические реакции, которые происходят при облучении «вечных химикатов» PFAS ультрафиолетом. Их открытие даёт учёным ориентир для разработки более эффективных технологий очистки воды. Результаты опубликованы в журнале Nature Water.

PFAS (пер- и полифторалкильные вещества) — обширное семейство устойчивых загрязнителей, попавших в миллионы источников воды по всему миру. Их называют «вечными химикатами», потому что прочные связи углерод–фтор крайне сложно разорвать. Именно этот барьер новое исследование помогает преодолеть.

Что происходит, когда ультрафиолет встречает PFAS

Ответственный автор работы, доцент кафедры химической и экологической инженерии UC Riverside Цзинъун Лю, описывает сложную цепочку реакций. Ультрафиолетовое излучение вместе с сульфитом порождает высокореактивные электроны, которые атакуют молекулы PFAS и начинают разрывать связи углерод–фтор. Атомы фтора отделяются от молекул и переходят в воду в виде ионов фторида — той же формы, в которой фтор содержится в водопроводной воде для защиты зубов.

Параллельно гидроксильные радикалы и гидроксид-ионы разрушают связи углерод–углерод, разбивая молекулярные цепочки на более короткие фрагменты. Эти фрагменты, в свою очередь, продолжают терять фтор, постепенно распадаясь полностью.

Важное уточнение: прежние научные работы ошибочно называли углекислый газ, угарный газ или другие соединения главным углеродсодержащим продуктом ключевой стадии разрушения молекул. Команда Лю установила, что на самом деле это форматы — простые соединения, содержащие углерод, водород и кислород.

Ещё один значимый вывод: прежние модели отводили главную роль в разрушении PFAS гидратированным электронам. Новое исследование показало, что химия значительно сложнее: важную роль играют также гидроксильные радикалы и гидроксид-ионы. Часть прежних данных оказалась основана на предположениях, а не на экспериментальных доказательствах.

Почему это важно для практики

Знание точного механизма деградации позволяет инженерам целенаправленно оптимизировать условия очистки:

• выбирать технологии и их комбинации, которые обеспечивают наиболее полное уничтожение разных видов PFAS;
• добиваться более глубокой деградации молекул, а не лишь частичного их разрушения;
• уточнять параметры существующих установок на основе реальной, а не предполагаемой химии;
• в перспективе — давать фторхимической промышленности конкретные ориентиры для создания новых соединений, которые разлагались бы легче нынешних.

«Зная механизм деградации, мы получаем гораздо лучший ориентир для совершенствования технологии», — отметил Лю.

Контекст: почему с PFAS так сложно бороться

PFAS применяются с 1940-х годов: их добавляли в антипригарные покрытия, упаковку для еды, ковровые покрытия с защитой от пятен, краски, герметики и огнетушащие составы. Со временем эти вещества накопились в грунтовых водах и попали в питьевую воду и продукты питания. Контакт с рядом PFAS связан с повышением холестерина, снижением иммунитета, нарушениями работы печени, осложнениями беременности, а также повышенным риском рака почек и яичек.

В 2024 году американское Агентство по охране окружающей среды впервые установило обязательные федеральные нормы содержания нескольких PFAS в питьевой воде. Для двух наиболее известных соединений норматив составляет 4 части на триллион — крайне строгий показатель, подчёркивающий серьёзность проблемы.

Исследование, которое вели с 2022 года аспирант, а затем постдок UC Riverside Цзиньюй Гао вместе с соавторами Даньдань Жао и Цзинъуном Лю, сочетало кинетические измерения с детальным анализом продуктов превращений — соединений, образующихся по мере распада молекул PFAS. Это позволило восстановить цепочки реакций на каждой стадии и выявить ранее неизвестные пути деградации.

Работа открывает и дополнительное практическое направление: понимание механизмов разрушения поможет химикам проектировать фторированные соединения, которые легче поддаются очистке после использования, нанося меньший вред окружающей среде.

Читайте также по теме: дешёвой очистке почвы от PFAS.