PFAS ซึ่งเป็นกลุ่มของสารเคมีที่ผลิตขึ้นซึ่งใช้กันทั่วไปตั้งแต่ช่วงทศวรรษที่ 1940 ถูกเรียกว่า “สารเคมีตลอดกาล” ด้วยเหตุผลบางประการ แบคทีเรียไม่สามารถกินได้ ไฟไม่สามารถเผาพวกมันได้ และน้ำไม่สามารถเจือจางได้ และถ้าสารเคมีที่เป็นพิษเหล่านี้ถูกฝังไว้ พวกมันก็จะซึมเข้าไปในดินโดยรอบ กลายเป็นปัญหาถาวรสำหรับคนรุ่นต่อๆ ไป
นักเคมีของมหาวิทยาลัยนอร์ทเวสเทิร์นได้ทำสิ่งที่ดูเหมือนเป็นไปไม่ได้ ทีมวิจัยได้พัฒนากระบวนการที่ทำให้สารประกอบ PFAS สองกลุ่มหลักแตกออกจากกันโดยใช้อุณหภูมิต่ำและรีเอเจนต์ทั่วไปที่มีราคาไม่แพง โดยเหลือไว้แต่ผลิตภัณฑ์สุดท้ายที่ไม่เป็นพิษเป็นภัย
เทคนิคง่ายๆ อาจเป็นวิธีแก้ปัญหาที่มีประสิทธิภาพสำหรับการกำจัดสารเคมีอันตรายเหล่านี้ในที่สุด ซึ่งเชื่อมโยงกับผลกระทบด้านสุขภาพที่เป็นอันตรายมากมายในมนุษย์ ปศุสัตว์ และสิ่งแวดล้อม
งาน วิจัยนี้จะเผยแพร่ ในวันที่ 19 สิงหาคมในวารสาร Science
“PFAS กลายเป็นปัญหาสังคมที่สำคัญ” William Dichtel จาก Northwestern ซึ่งเป็นผู้นำการศึกษากล่าว “แม้แต่ PFAS เพียงเล็กน้อยก็ทำให้เกิดผลเสียต่อสุขภาพและไม่พังทลายลง เราไม่สามารถรอปัญหานี้ได้ เราต้องการใช้เคมีเพื่อแก้ไขปัญหานี้และสร้างโซลูชันที่โลกสามารถใช้ได้ เป็นเรื่องที่น่าตื่นเต้นเพราะวิธีการแก้ปัญหาของเรานั้นเรียบง่ายแต่ไม่เป็นที่รู้จัก”
Dichtel เป็นศาสตราจารย์ด้านเคมีของ Robert L. Letsinger ใน วิทยาลัยศิลปะและวิทยาศาสตร์ Weinberg ทางตะวันตกเฉียง เหนือ Brittany Trang ผู้ดำเนินโครงการนี้เป็นส่วนหนึ่งของวิทยานิพนธ์ระดับปริญญาเอกที่เพิ่งเสร็จสิ้นในห้องปฏิบัติการของ Dichtel เป็นผู้เขียนร่วมคนแรกของหนังสือพิมพ์
‘ประเภทเดียวกับตะกั่ว’
ย่อมาจากสารเปอร์และโพลีฟลูออโรอัลคิล PFAS ถูกใช้มาเป็นเวลา 70 ปีในฐานะสารกันติดและกันซึม มักพบในเครื่องครัวที่ไม่ติดกระทะ เครื่องสำอางกันน้ำ โฟมดับเพลิง ผ้ากันน้ำ และผลิตภัณฑ์ที่ทนทานต่อไขมันและน้ำมัน
“PFAS ได้กลายเป็นปัญหาสังคมที่สำคัญ เราต้องการใช้เคมีเพื่อแก้ไขปัญหานี้และสร้างโซลูชันที่โลกสามารถใช้ได้” — วิลเลียม ดิชเทล นักเคมี
อย่างไรก็ตาม ตลอดหลายปีที่ผ่านมา PFAS ได้ออกจากสินค้าอุปโภคบริโภค เข้าสู่น้ำดื่มของเรา และแม้กระทั่งเข้าสู่กระแสเลือดของประชากรสหรัฐ 97% แม้ว่าผลกระทบต่อสุขภาพจะยังไม่เป็นที่เข้าใจอย่างถ่องแท้ แต่การสัมผัส PFAS นั้นสัมพันธ์อย่างยิ่งกับภาวะเจริญพันธุ์ที่ลดลง ผลต่อพัฒนาการในเด็ก ความเสี่ยงที่เพิ่มขึ้นของมะเร็งชนิดต่างๆ ภูมิคุ้มกันที่ลดลงในการต่อสู้กับการติดเชื้อ และเพิ่มระดับคอเลสเตอรอล เมื่อคำนึงถึงผลกระทบด้านสุขภาพที่ไม่พึงประสงค์เหล่านี้ สำนักงานคุ้มครองสิ่งแวดล้อมแห่งสหรัฐอเมริกา (EPA) ได้ประกาศเมื่อเร็วๆ นี้ว่า PFAS หลายตัวไม่ปลอดภัย แม้ในระดับร่องรอย
“เมื่อเร็ว ๆ นี้ EPA ได้แก้ไขคำแนะนำสำหรับ PFOA โดยพื้นฐานแล้วเหลือศูนย์” Dichtel กล่าว “นั่นทำให้ PFAS หลายตัวอยู่ในหมวดหมู่เดียวกันกับลูกค้าเป้าหมาย”
พันธะที่ไม่มีวันแตกสลาย
แม้ว่าความพยายามของชุมชนในการกรอง PFAS จากน้ำจะประสบผลสำเร็จ แต่ก็ยังมีวิธีแก้ปัญหาสองสามวิธีในการกำจัด PFAS เมื่อนำออกแล้ว ตัวเลือกไม่กี่ตัวที่กำลังเกิดขึ้นโดยทั่วไปเกี่ยวข้องกับการทำลาย PFAS ที่อุณหภูมิและความดันสูง หรือวิธีการอื่นๆ ที่ต้องใช้พลังงานจำนวนมาก
“ในรัฐนิวยอร์ก โรงงานที่อ้างว่าเผา PFAS ถูกพบว่าปล่อยสารประกอบเหล่านี้ออกไปในอากาศ” Dichtel กล่าว “สารประกอบถูกปล่อยออกมาจากปล่องควันและสู่ชุมชนท้องถิ่น กลยุทธ์ที่ล้มเหลวอีกประการหนึ่งคือการฝังสารประกอบในหลุมฝังกลบ เมื่อคุณทำอย่างนั้น คุณแค่รับประกันว่าคุณจะมีปัญหาในอีก 30 ปีนับจากนี้ เพราะมันค่อยๆ คลายออก คุณไม่ได้แก้ปัญหา คุณเพิ่งเตะกระป๋องลงที่ถนน”
ความลับของการทำลายไม่ได้ของ PFAS อยู่ที่พันธะเคมี PFAS ประกอบด้วยพันธะคาร์บอนฟลูออรีนจำนวนมาก ซึ่งเป็นพันธะที่แข็งแกร่งที่สุดในเคมีอินทรีย์ ในฐานะที่เป็นธาตุที่มีไฟฟ้ามากที่สุดในตารางธาตุ ฟลูออรีนต้องการอิเล็กตรอน – และแย่ที่สุด ในทางกลับกัน คาร์บอนเต็มใจที่จะละทิ้งอิเลคตรอนมากกว่า
“เมื่อคุณมีความแตกต่างระหว่างอะตอมทั้งสองชนิดนี้ และพวกมันมีขนาดใกล้เคียงกัน ซึ่งก็คือคาร์บอนและฟลูออรีน ซึ่งเป็นสูตรสำหรับพันธะที่แข็งแกร่งจริงๆ” Dichtel อธิบาย
ระบุส้น Achilles ของ PFAS
แต่ในขณะที่ศึกษาสารประกอบ ทีมของ Dichtel พบจุดอ่อน PFAS ประกอบด้วยพันธะคาร์บอนฟลูออรีนที่ไม่เหนียวเหนอะหนะหางยาว แต่ที่ปลายด้านหนึ่งของโมเลกุล มีหมู่ประจุที่มักประกอบด้วยอะตอมของออกซิเจนที่มีประจุ ทีมงานของ Dichtel ตั้งเป้าหมายกลุ่มใหญ่นี้โดยให้ความร้อน PFAS ในไดเมทิลซัลฟอกไซด์ ซึ่งเป็นตัวทำละลายที่ผิดปกติสำหรับการทำลาย PFAS ด้วยโซเดียมไฮดรอกไซด์ซึ่งเป็นสารทำปฏิกิริยาทั่วไป กระบวนการนี้ตัดหัวกลุ่ม ทิ้งหางปฏิกิริยาไว้เบื้องหลัง
“นั่นทำให้เกิดปฏิกิริยาเหล่านี้ทั้งหมด และเริ่มคายอะตอมของฟลูออรีนออกจากสารประกอบเหล่านี้เพื่อสร้างฟลูออไรด์ ซึ่งเป็นรูปแบบที่ปลอดภัยที่สุดของฟลูออรีน” Dichtel กล่าว “แม้ว่าพันธะคาร์บอนฟลูออรีนจะแข็งแกร่งมาก แต่กลุ่มหัวที่มีประจุนั้นก็คือจุดอ่อนของ Achilles”
ในความพยายามครั้งก่อนที่จะทำลาย PFAS นักวิจัยคนอื่นๆ ได้ใช้อุณหภูมิสูงถึง 400 องศาเซลเซียส Dichtel รู้สึกตื่นเต้นที่เทคนิคใหม่นี้อาศัยสภาวะที่รุนแรงกว่าและรีเอเจนต์ที่เรียบง่ายและราคาไม่แพง ทำให้โซลูชันนี้มีโอกาสนำไปใช้ได้จริงมากขึ้นสำหรับการใช้งานอย่างแพร่หลาย
หลังจากค้นพบสภาวะการเสื่อมสภาพของ PFAS แล้ว Dichtel และ Trang ยังได้ค้นพบว่าสารมลพิษที่มีฟลูออไรด์นั้นกระจัดกระจายไปตามกระบวนการที่แตกต่างจากที่คาดการณ์ไว้ทั่วไป Ken Houk ผู้ทำงานร่วมกันจาก UCLA และ Yuli Li นักศึกษาจากมหาวิทยาลัยเทียนจินซึ่งมาเยี่ยมกลุ่มของ Houk ด้วยวิธีการคำนวณที่มีประสิทธิภาพ ได้จำลองการเสื่อมสภาพของ PFAS การคำนวณของพวกเขาชี้ให้เห็นว่า PFAS แยกจากกันโดยกระบวนการที่ซับซ้อนกว่าที่คาดไว้ แม้ว่าก่อนหน้านี้จะมีการสันนิษฐานว่า PFAS ควรแยกชิ้นส่วนคาร์บอนทีละตัว การจำลองแสดงให้เห็นว่า PFAS แยกคาร์บอนออกครั้งละสองหรือสามชิ้น ซึ่งเป็นการค้นพบที่ตรงกับการทดลองของ Dichtel และ Trang เมื่อเข้าใจเส้นทางเหล่านี้ นักวิจัยสามารถยืนยันได้ว่าเหลือแต่ผลิตภัณฑ์ที่ไม่เป็นพิษเป็นภัยเท่านั้น ความรู้ใหม่นี้สามารถช่วยแนะนำการปรับปรุงเพิ่มเติมเกี่ยวกับวิธีการ
“สิ่งนี้พิสูจน์แล้วว่าเป็นชุดการคำนวณที่ซับซ้อนมากซึ่งท้าทายวิธีการทางกลควอนตัมที่ทันสมัยที่สุดและคอมพิวเตอร์ที่เร็วที่สุดสำหรับเรา” Houk ศาสตราจารย์ด้านการวิจัยที่โดดเด่นด้านเคมีอินทรีย์กล่าว “กลศาสตร์ควอนตัมเป็นวิธีทางคณิตศาสตร์ที่จำลองเคมีทั้งหมด แต่ในทศวรรษที่ผ่านมาเท่านั้นที่เราสามารถใช้ปัญหากลไกขนาดใหญ่เช่นนี้ ประเมินความเป็นไปได้ทั้งหมดและพิจารณาว่าสิ่งใดสามารถเกิดขึ้นได้ในอัตราที่สังเกตได้ Yuli เชี่ยวชาญวิธีการคำนวณเหล่านี้และทำงานร่วมกับ Brittany ทางไกลเพื่อแก้ปัญหาพื้นฐานแต่สำคัญในทางปฏิบัตินี้”
ลงสิบ เหลือ 11,990
ต่อไป ทีมงานของ Dichtel จะทดสอบประสิทธิภาพของกลยุทธ์ใหม่กับ PFAS ประเภทอื่น ในการศึกษาในปัจจุบัน พวกเขาประสบความสำเร็จในการย่อยสลายกรดเปอร์ฟลูออโรอัลคิลคาร์บอกซิลิก (PFCAs) 10 ชนิดและกรดเปอร์ฟลูออโรอัลคิลอีเทอร์คาร์บอกซิลิก (PFECAs) ได้สำเร็จ รวมทั้งกรดเปอร์ฟลูออโรออคทาโนอิก (PFOA) และหนึ่งในสารทดแทนทั่วไปที่เรียกว่า GenX ซึ่งเป็นสารประกอบ PFAS ที่โดดเด่นที่สุดสองชนิด อย่างไรก็ตาม US EPA ได้ระบุสารประกอบ PFAS มากกว่า 12,000 ชนิด
แม้ว่าสิ่งนี้อาจดูน่ากลัว แต่ Dichtel ยังคงมีความหวัง
“งานของเรากล่าวถึงหนึ่งในคลาสที่ใหญ่ที่สุดของ PFAS รวมถึงหลายสิ่งที่เรากังวลมากที่สุด” เขากล่าว “มีคลาสอื่นๆ ที่ไม่มีส้น Achilles เหมือนกัน แต่แต่ละคนจะมีจุดอ่อนของตัวเอง หากเราสามารถระบุได้ เราก็รู้วิธีเปิดใช้งานเพื่อทำลายมัน”
Dichtel เป็นสมาชิกของ Institute for Sustainability and Energy ที่ Northwestern’s Program on Plastics, Ecosystems and Public Health; ศูนย์วิจัย น้ำ และ สถาบันนาโนเทคโนโลยีนานาชาติ
การศึกษาเรื่อง “การทำให้เป็นแร่ที่อุณหภูมิต่ำของกรดเปอร์ฟลูออโรคาร์บอกซิลิก” ได้รับการสนับสนุนจากมูลนิธิวิทยาศาสตร์แห่งชาติ
