در فوریه سال جاری، ۱۴ کامیون از ویلمینگتون، کارولینای شمالی، با محموله‌ای سمی حرکت کردند: بیش از ۱۵۰ تن کربن شبیه به شن که مواد شیمیایی مضر را از آب آشامیدنی شهر جذب کرده بود.
این کامیون‌ها کربن را به یکی از نزدیکترین کوره‌های "فعال‌سازی مجدد" موجود، در ۱۲۰۰ کیلومتری شمال در بوفالو، نیویورک بردند. در آنجا، دمای نزدیک به ۱۰۰۰ درجه سانتیگراد مواد شیمیایی را سوزاند و آنها را به مولکول‌های گازی ساده تبدیل کرد که بعداً به مواد معدنی تبدیل شدند. در این ماه، کربن تازه شده با کامیون به سمت جنوب بازگردانده می‌شود.
بنجامین کرنز، مدیر کارخانه آب آشامیدنی ویلمینگتون، می‌گوید که او پیش‌بینی آب و هوا را برای بوفالو در تمام زمستان بررسی می‌کند - ترس از اختلال در عملیات تصفیه آب خود، که به یک منبع دقیق و به موقع کربن تازه در هر ماه بستگی دارد. او می‌گوید: "اگر یک طوفان برفی وجود داشته باشد، من نگران می‌شوم."
این کربن، که از نظر فنی کربن فعال گرانولی (GAC) نامیده می‌شود، در قلب یک سیستم ۴۳ میلیون دلاری است که در سال ۲۰۲۲ برای خلاص کردن آب آشامیدنی ویلمینگتون از PFAS یا مواد پر و پلی‌فلوئوروآلکیل شروع به کار کرد. این مواد شیمیایی مصنوعی اکنون در سراسر جهان نفوذ کرده‌اند - آنها برای ساخت تراشه‌های کامپیوتری، باتری‌های لیتیوم یونی، دستگاه‌های پزشکی، منسوجات مقاوم در برابر لکه و پوشش‌های ضد لک استفاده می‌شوند، از جمله بسیاری از محصولات دیگر - و برخی از آنها سلامت انسان را به خطر می‌اندازند. همچنین به عنوان مواد شیمیایی همیشگی شناخته می‌شوند، آنها به دلیل پیوندهای قوی کربن-فلوئور در برابر تخریب طبیعی مقاومت می‌کنند.
کارخانه کرنز در خط مقدم یک تلاش ترمیم‌کننده عظیم قرار دارد. در آوریل ۲۰۲۴، آژانس حفاظت از محیط زیست ایالات متحده (EPA) محدودیت‌های سختگیرانه سراسری بر غلظت شش PFAS در آب آشامیدنی اعمال کرد. این آژانس تخمین می‌زند که این قانون قرار گرفتن در معرض PFAS را برای حدود ۱۰۰ میلیون نفر از ساکنان ایالات متحده کاهش دهد.
بهترین راه برای خلاص شدن از شر PFAS اکنون یک سوال چند میلیارد دلاری است. EPA تخمین زد که شرکت‌های خدمات عمومی ایالات متحده ممکن است مجبور شوند سالانه تا ۱.۵ میلیارد دلار برای سیستم‌های تصفیه هزینه کنند. یک گروه صنعتی که از این آژانس شکایت می‌کند، استدلال می‌کند که هزینه‌ها می‌تواند در ۵ سال آینده به ۴۸ میلیارد دلار برسد. شرکت‌های خدمات عمومی باید تا سال ۲۰۲۹ سیستم‌ها را در محل داشته باشند.
کشورهای اروپایی نیز قوانینی برای محدود کردن سطوح PFAS در آب آشامیدنی دارند. قوانین اتحادیه اروپا از سال ۲۰۲۶ به اجرا در می‌آیند، اما غلظت‌های بالاتری را نسبت به EPA مجاز می‌دانند. با این حال، کشورهایی مانند دانمارک و آلمان محدودیت‌های سختگیرانه‌تری را تعیین کرده‌اند.
نگرانی و انتظار یک بازار پر رونق برای پاکسازی آلودگی PFAS، هجومی را برای یافتن راه‌های بهتر برای جذب و از بین بردن مواد شیمیایی همیشگی برانگیخته است. اگرچه GAC کار می‌کند - این یک ماده متخلخل (یا جاذب) است که می‌تواند آلاینده‌ها را به دام انداخته و در خود جای دهد - اما همه PFASها را به یک اندازه به خوبی جذب نمی‌کند. فرانک لیبفارت، شیمیدان پلیمر در دانشگاه کارولینای شمالی در چپل هیل، می‌افزاید که حمل و نقل کربن به اطراف به طوری که PFASهای جمع‌آوری شده بتوانند در کوره‌های فعال‌سازی مجدد از بین بروند، تغییرات آب و هوایی را تشدید می‌کند.
و اگرچه EPA بر آب آشامیدنی تمرکز کرده است، دانشمندان می‌خواهند با حذف PFASها از سایر منابع زیست محیطی، از رسیدن PFASها به آب جلوگیری کنند. تأسیسات صنعتی که PFASها را تولید و استفاده می‌کنند، از تولیدکنندگان مواد شیمیایی فلوئور گرفته تا کارخانه‌های کاغذ و نساجی، اغلب زباله‌های خود را به کارخانه‌های تصفیه فاضلاب شهری (تصفیه فاضلاب) می‌فرستند. اما اینها معمولاً مجهز به حذف PFASها نیستند، بنابراین خروجی آنها مواد شیمیایی همیشگی را به رودخانه‌ها اضافه می‌کند. از آنجا، PFASها می‌توانند مستقیماً به آب آشامیدنی برسند یا به طور غیر مستقیم با نفوذ به خاک این کار را انجام دهند.
لجنی که از تصفیه فاضلاب باقی می‌ماند نیز PFASها را جمع می‌کند. در برخی از نقاط جهان، این لجن غنی از مواد مغذی، که به عنوان مواد جامد زیستی شناخته می‌شود، به عنوان کود در زمین‌های کشاورزی پخش شده است. در ایالت‌هایی مانند مین، مزارعی که غذای آلوده به PFAS تولید می‌کنند، تعطیل شده‌اند. و نوعی فوم آتش نشانی که با PFASها فرموله شده است، به دلیل استفاده مکرر در تمرین‌های آتش‌نشانی در آنجا، خاک‌ها را آلوده کرده و به آب‌های زیرزمینی در اطراف پایگاه‌های نظامی و فرودگاه‌ها در سراسر جهان نفوذ کرده است.
با فرا رسیدن مهلت‌های مقرر، محققان آکادمیک و شرکت‌ها در حال توسعه روش‌هایی برای جمع‌آوری و از بین بردن PFASها از این منابع هستند. یان راس، متخصص PFAS در CDM Smith، یک شرکت مهندسی در بوستون، ماساچوست، که در زمینه اصلاح PFAS کار می‌کند، می‌گوید: "تعداد زیادی از تکنیک‌های در حال تکامل در آنجا وجود دارد."
جذب آلاینده‌ها
در طبقه دوم تأسیسات کرنز - کارخانه تصفیه آب سوئینی - آب آشامیدنی که در حداکثر هشت مخزن بتنی نگهداری می‌شود، بی‌صدا از طریق تقریباً چهار متر GAC فرو می‌رود. اورلاندو کورونل، مهندسی در دانشگاه کارولینای شمالی در چپل هیل، که با لیبفارت برای آزمایش یک جاذب جدید در این تأسیسات همکاری می‌کند، می‌گوید: "شگفت‌انگیز است که برای تصفیه PFAS به چه مقدار کربن نیاز دارید."
این کارخانه که توسط سازمان خدمات عمومی کیپ فیر (CFPUA) اداره می‌شود، به ۲۰۰,۰۰۰ نفر در شهر ساحلی ویلمینگتون خدمات ارائه می‌دهد. این کارخانه آب را از رودخانه کیپ فیر می‌گیرد که در سال ۲۰۱۷ نشان داده شد که سطح بالایی از یکی از شش PFAS تنظیم شده توسط EPA، به نام GenX دارد (به "کیپ فیر و آلودگی PFAS" مراجعه کنید). این مولکول‌ها از ۱۶۰ کیلومتری بالادست آمده بودند، جایی که تولیدکننده مواد شیمیایی فلوئور Chemours PFASها را برای الکترونیک و ساخت باتری، از جمله موارد دیگر، تولید می‌کند و آنها را در رودخانه تخلیه کرده بود.
پس از اینکه CFPUA سیستم جاذب را نصب کرد، سطوح GenX و چندین PFAS دیگر کاهش یافت (و زیر محدودیت‌های جدید EPA قرار دارند). در حالی که این سیستم در حال طراحی و ساخت بود، آژانس زیست‌محیطی ایالت کارولینای شمالی از Chemours شکایت کرد و یک گروه غیرانتفاعی محلی با شکایت از هر دو سازمان با هم، فشار را افزایش داد. طرفین توافق کردند که حل و فصل کنند: Chemours انجام هرگونه تخلف را رد کرد، اما کنترل‌های بهتری را بر انتشار PFAS خود اعمال کرد، از جمله یک دیوار مانع زیرزمینی ۱.۶ کیلومتری همراه با یک سیستم فیلتر GAC که آب سطحی و زیرزمینی نزدیک کارخانه را جمع‌آوری و PFASها را حذف می‌کند. این شرکت می‌گوید که بیش از ۴۰۰ میلیون دلار در کارخانه خود برای اصلاح انتشار PFAS و محدود کردن انتشار آینده سرمایه‌گذاری کرده است. CFPUA در حال حاضر از Chemours شکایت می‌کند تا هزینه سیستم فیلتراسیون سوئینی را بپردازد.
کورونل می‌گوید GAC به طور کلی مؤثر است، اما یک جاذب "طیف گسترده" است که همه چیز را که جذب می‌کند به داخل منافذ آب‌گریز (دفع کننده آب) خود جذب می‌کند، نه فقط PFASها. کارخانه سوئینی آبی را دریافت می‌کند که سطح مواد آلی محلول آن بسیار بیشتر از PFASها است، که برای فضا در منافذ GAC رقابت می‌کنند. شش مولکول موجود در لیست EPA به اندازه کافی خوب می‌چسبند، اما هر PFAS با دم کوتاه‌تر و آب‌گریز حاوی فلوئور این کار را نمی‌کند. همانطور که منافذ GAC پر می‌شوند، PFASهای زنجیره کوتاه می‌توانند از طریق منافذ شکسته شده و دوباره وارد آب آشامیدنی شوند.
به طور خاص، PFASهای زنجیره فوق‌العاده کوتاه (آنهایی که دارای دم فلوئورینه سه کربنی یا کوتاه‌تر هستند) محققان را نگران می‌کنند (به "آلاینده‌های PFAS" مراجعه کنید)، زیرا این مولکول‌ها در آب‌های پایین دست Chemours و نزدیک به تأسیسات تولید نیمه‌رسانا یافت می‌شوند۱. پس از اینکه CFPUA دو PFAS فوق‌العاده کوتاه را در آب آشامیدنی خود پس از تصفیه شناسایی کرد، شروع به تعویض GAC تقریباً هر ۲۰۰ روز یکبار کرد، به جای تقریباً ۳۰۰ روزی که هنگام جذب GenX استفاده می‌کرد. این امر تقریباً هزینه‌های بازسازی کربن آن را دو برابر کرده است.
سایر راه‌های تثبیت شده برای جذب PFASها دارای مزایا و معایبی هستند. نوعی جاذب به نام رزین تبادل یونی، آلاینده‌ها را به طور کلی از طریق تعاملات الکترواستاتیک به دام می‌اندازد: شش PFAS تنظیم شده توسط EPA همگی بار منفی دارند و با تبادل جایگاه با یک جزء با بار منفی روی رزین، می‌چسبند.
دیتلف ناپه، دانشمند محیط زیست در دانشگاه ایالتی کارولینای شمالی در رالی، می‌گوید رزین کمتری برای تصفیه همان مقدار آب نسبت به GAC مورد نیاز است، اما پنج تا شش برابر بیشتر هزینه دارد. یون‌های نمک نیترات در آب می‌توانند رزین را مسدود کرده و اثربخشی هزینه آن را کاهش دهند و رزین‌ها فقط یک بار در تأسیسات آب آشامیدنی استفاده می‌شوند، زیرا تمیز کردن آنها اغلب شامل شستشو در متانول است، یک حلال غیرقابل قبول سمی.
روش دیگر از غشاها برای جدا کردن آلاینده‌ها از آب استفاده می‌کند. در اسمز معکوس، فشار مکانیکی آب را از طریق غشایی با منافذ ریز عبور می‌دهد: آبی که تقریباً خالص است عبور می‌کند، در حالی که بقیه در طرف دیگر در یک مخلوط به تدریج شورتر باقی می‌مانند. ساخت سیستم‌های غشایی گران‌تر است - اسمز معکوس سه برابر هزینه یک سیستم جاذب بود، زمانی که CFPUA گزینه‌ها را ارزیابی کرد. (اما اگر جاذب‌ها مجبور بودند بیشتر تعویض شوند، سیستم‌های غشایی مقرون‌به‌صرفه می‌شدند، می‌گوید ناپه.) اسمز معکوس همچنین حجم عظیمی از آب نمک آغشته به PFAS را تولید می‌کند که مدیریت آن دشوار است.
تله‌های هدفمند PFAS
بسیاری از محققان در حال اختراع جاذب‌هایی هستند که می‌توانند PFASها را به طور انتخابی‌تر به دام بیندازند، که اغلب شامل تعاملات شیمیایی متعدد به طور همزمان است. در طبقه اول کارخانه سوئینی، در زیر مخازن GAC، کورونل و لیبفارت در حال آزمایش یک جاذب اختصاصی هستند. تا کنون، قبل از اینکه مولکول‌های زنجیره کوتاه شکسته شوند، سه برابر بیشتر از GAC CFPUA و ۴۰٪ بیشتر از یک رزین تبادل یونی با عملکرد بالا دوام آورده است. کرنز می‌گوید یکی از احتمالات این است که یک لایه از یک جاذب جدید برای جذب فراری‌ها از GAC اضافه شود، بنابراین زمان بین سفرها به کوره فعال‌سازی مجدد طولانی‌تر شود.
برخی از محققان در حال آزمایش جاذب‌های خود بر روی منابع PFAS کثیف‌تر و پیچیده‌تر، مانند فاضلاب هستند. کثیف‌ترین آنها مایعی است که در انتهای یک محل دفن زباله جمع می‌شود (شیرابه محل دفن زباله)، که باید پمپ شده و تصفیه شود، اغلب با حمل و نقل به نزدیکترین کارخانه تصفیه فاضلاب با کامیون. ویلیام دیختل، شیمیدان در دانشگاه نورث‌وسترن در اوانستون، ایلینوی، که قصد دارد یک جاذب را بر روی شیرابه آزمایش کند، می‌گوید: "این بسیار ناخوشایند است."
به طور کلی، جاذب‌ها PFASهای زنجیره بلند را بهتر از زنجیره کوتاه جذب می‌کنند. سیستم‌های غشایی پرهزینه ممکن است برای آب‌های غنی شده با PFASهای زنجیره کوتاه ضروری باشند: یک مطالعه۲ نشان داد که نانوفیلتراسیون، که از غشاها با منافذ کمی بزرگتر استفاده می‌کند و زباله کمتری نسبت به اسمز معکوس تولید می‌کند، بیش از ۹۰٪ از PFASهای زنجیره فوق‌العاده کوتاه را از فاضلاب نیمه‌رسانا جذب می‌کند.
ایده دیگر این است که خود GAC را دوباره پیکربندی کنیم. منافذ این ماده به طور نامنظم شکل گرفته‌اند، اما پان نی، شیمیدان کربن در دانشگاه میسوری در کلمبیا و همکارانش در یک کنفرانس کار مقدماتی را گزارش کرده‌اند که نشان می‌دهد منافذ می‌توانند به جای آن به کانال‌های نانو اندازه تراز شوند. با قطرهای کانال مناسب، GAC ممکن است شروع به هدف قرار دادن فقط مولکول‌های زنجیره کوتاه کند.
از بین بردن PFASهای جذب شده
هر جاذبی در نهایت پر می‌شود. بهترین راه برای از بین بردن PFASهای انباشته شده اکنون یک سوال کلیدی و یک بازار میلیارد دلاری است.
شرکت‌های خدمات عمومی که تصمیم می‌گیرند آب خود را با استفاده از GAC تمیز کنند، می‌توانند از مثال سوئینی پیروی کرده و آن را به کوره فعال‌سازی مجدد ببرند. یک جایگزین دیگر سوزاندن است که یک روش رایج برای دفع رزین‌های یکبار مصرف نیز می‌باشد. سوزاندن به سادگی مواد را با سوزاندن آنها در حضور اکسیژن از بین می‌برد - "یک واکنش فراری"، می‌گوید ناپه - در حالی که فعال‌سازی مجدد GAC کنترل شده است و بدون اکسیژن کار می‌کند.
در حالت ایده‌آل، هر دو نوع تصفیه هر پیوند کربن-فلوئور را می‌شکنند و فلوئور را به عنوان گاز فلورید هیدروژن آزاد می‌کنند. سپس گاز می‌تواند از طریق "اسکرابرها" حاوی مواد قلیایی مشابه جوش شیرین عبور کند تا آن را به مواد معدنی بی‌ضرر مانند فلورید سدیم تبدیل کند.
اما مشخص نیست که آیا PFASها به طور کامل معدنی شده‌اند یا خیر، زیرا برخی از مطالعات آزمایشگاهی نمی‌توانند جرم فلوئور ورودی را با جرم بازیابی شده از محصولات مطابقت دهند۳. این نشان می‌دهد که برخی از PFASها ممکن است فقط به مولکول‌های گازی کوچکتر PFAS شکسته شده باشند که گرفتن آنها دشوارتر است و ممکن است در هوا پخش شوند.
آنی‌لو دی‌ویت، شیمیدان تحلیلی در Clean Harbors، یک شرکت مدیریت پسماند مستقر در نورول، ماساچوست، که متخصص در سوزاندن و دفن زباله‌های خطرناک است، می‌گوید چنین گازهایی را می‌توان با انواع فیلترهایی که قبلاً در تأسیسات زباله‌سوز نصب شده‌اند که به طور معمول با زباله‌های خطرناک سروکار دارند، جذب کرد.
آزمایش‌هایی که در آن PFASها با مواد معدنی کلسیم اضافه شده سوزانده شدند، نشان می‌دهد که فلوئور به طور موثر در فلورید کلسیم قفل می‌شود. در استرالیا، برخی از زباله‌های حاوی PFAS به کوره‌های سیمان تغذیه شده‌اند که در دماهای بالا کار می‌کنند و حاوی مقدار زیادی کلسیم هستند. با این حال، کانی‌سازی کامل ثابت نشده است.
به دلیل سوالات مربوط به اثربخشی سوزاندن، وزارت دفاع ایالات متحده به طور موقت تأسیسات خود را از سوزاندن فوم آتش نشانی که غلظت بالایی از PFASها دارد، منع کرده است. این وزارتخانه با EPA و Clean Harbors همکاری می‌کند تا بررسی کند که آیا سوزاندن برخی از گازهای PFAS را تولید می‌کند یا خیر. راس می‌گوید انتظار می‌رود که اگر اینطور نباشد، سوزاندن به تکنیک اصلی تبدیل شود. در این میان، تعدادی از شرکت‌های نوپا، که اغلب از آزمایشگاه‌های آکادمیک منشعب می‌شوند، راه‌های جایگزینی برای از بین بردن PFASها ایجاد کرده‌اند. بسیاری از اینها از شرایط پرانرژی برای از هم گسیختن مولکول‌ها استفاده می‌کنند. شرکت‌ها می‌گویند که این تکنیک‌ها می‌توانند فوم آتش نشانی و آب نمک یا مواد جامد زیستی آغشته به PFAS را که برای سوزاندن مناسب نیستند، تصفیه کنند.