Xử lý PFAS trong nước: Vì sao “hóa chất vĩnh cửu” khó phân hủy?

Xử lý PFAS trong nước đang thu hút sự quan tâm của ngành công nghệ môi trường. PFAS là nhóm hóa chất có độ bền rất cao. Nhiều hợp chất PFAS có thể tồn tại lâu trong môi trường.

Đây cũng là lý do PFAS thường được gọi là “hóa chất vĩnh cửu”.

Một vấn đề quan trọng là PFAS không chỉ cần được loại bỏ khỏi nước. Các nhà nghiên cứu còn tìm cách phân hủy chúng.

Hai khái niệm này có sự khác biệt rất lớn.

PFAS là gì?

PFAS là tên viết tắt của nhóm per- và polyfluoroalkyl substances.

Đây là một nhóm lớn gồm nhiều hợp chất hóa học. Chúng có khả năng chống nước và chống dầu tốt.

PFAS cũng có độ ổn định cao. Nhờ những đặc tính này, PFAS từng được sử dụng trong nhiều sản phẩm.

Một số ứng dụng liên quan đến vật liệu chống dính. PFAS cũng xuất hiện trong bao bì chống dầu. Chúng còn được dùng trong lớp phủ và một số loại bọt chữa cháy.

PFAS đã được sử dụng rộng rãi từ khoảng những năm 1940. Theo thời gian, một phần PFAS có thể đi vào đất và nguồn nước.

Đây là một trong những lý do nhóm chất này trở thành vấn đề được quan tâm trong xử lý môi trường.

Vì sao PFAS được gọi là “hóa chất vĩnh cửu”?

Tên gọi “hóa chất vĩnh cửu” xuất phát từ độ bền của PFAS.

Trong cấu trúc của nhiều PFAS có liên kết carbon–fluorine (C–F). Đây là một liên kết hóa học rất bền.

Liên kết này giúp PFAS chống lại nhiều tác động hóa học. Nó cũng khiến PFAS khó bị phân hủy tự nhiên.

Khi PFAS đi vào nguồn nước, chúng không dễ biến mất. Một số hợp chất có thể tồn tại trong môi trường trong thời gian dài.

Vì vậy, “hóa chất vĩnh cửu” là cách gọi phổ biến để mô tả đặc tính này. Nó không có nghĩa mọi PFAS đều tồn tại mãi mãi theo nghĩa tuyệt đối.

PFAS trong nước có đáng quan tâm?

PFAS được quan tâm không chỉ vì khả năng tồn tại lâu.

Một số PFAS đã được nghiên cứu về khả năng ảnh hưởng đến sức khỏe. Các tác động được báo cáo gồm thay đổi cholesterol và ảnh hưởng đến hệ miễn dịch.

Một số nghiên cứu cũng xem xét mối liên hệ với các vấn đề về gan và thai kỳ. Một số PFAS còn được nghiên cứu về nguy cơ liên quan đến một số bệnh ung thư.

Mức độ ảnh hưởng phụ thuộc vào từng hợp chất. Nó cũng phụ thuộc vào mức độ và thời gian tiếp xúc.

Do đó, việc kiểm soát PFAS trong môi trường nước là một vấn đề được nhiều cơ quan và nhà khoa học quan tâm.

Loại bỏ PFAS và phân hủy PFAS có giống nhau?

Không giống nhau.

Đây là điểm rất quan trọng trong công nghệ xử lý nước.

Loại bỏ PFAS khỏi nước

Loại bỏ PFAS có nghĩa là làm giảm PFAS trong dòng nước.

Một số công nghệ có thể giữ PFAS trên vật liệu lọc. Một số công nghệ khác có thể tách PFAS khỏi nước.

Các phương pháp được nghiên cứu và sử dụng gồm:

• Than hoạt tính.
• Nhựa trao đổi ion.
• Một số loại màng lọc.
• Công nghệ hấp phụ.
• Các phương pháp cô đặc chất ô nhiễm.

Sau quá trình xử lý, lượng PFAS trong nước có thể giảm.

Tuy nhiên, PFAS chưa chắc đã bị phá hủy.

Ví dụ, than hoạt tính có thể giữ PFAS trên bề mặt vật liệu. PFAS lúc này đã được tách khỏi nước.

Nhưng PFAS vẫn tồn tại trong vật liệu lọc.

Vật liệu đó cần được quản lý và xử lý phù hợp.

Phân hủy PFAS là gì?

Phân hủy PFAS có mục tiêu khác.

Quá trình này hướng tới việc phá vỡ cấu trúc phân tử PFAS. Mục tiêu quan trọng là phá vỡ các liên kết rất bền trong phân tử.

Đặc biệt, các nhà khoa học quan tâm đến liên kết carbon–fluorine.

Khi liên kết này bị phá vỡ, fluorine có thể được tách khỏi phân tử PFAS.

Các phần còn lại của phân tử cũng có thể tiếp tục bị phân mảnh.

Như vậy, chất ô nhiễm không chỉ được chuyển sang một vật liệu khác. Nó được xử lý sâu hơn ở cấp độ phân tử.

Một ví dụ đơn giản

Có thể hình dung quá trình xử lý như sau:

Nước chứa PFAS → vật liệu lọc → nước có ít PFAS hơn

Trong trường hợp này, PFAS đã được loại bỏ khỏi nước.

Nhưng PFAS có thể vẫn nằm trên vật liệu lọc.

Với quá trình phân hủy, mục tiêu sẽ khác:

Nước chứa PFAS → quá trình xử lý → phá vỡ cấu trúc PFAS

Đây là điểm khác biệt giữa removal và destruction.

Sự khác biệt này ngày càng quan trọng trong nghiên cứu công nghệ xử lý PFAS.

Vì sao công nghệ UV được quan tâm?

Một hướng nghiên cứu đáng chú ý là sử dụng tia cực tím UV.

UV có thể được kết hợp với một số hóa chất. Mục tiêu là tạo ra các tác nhân có khả năng phản ứng mạnh.

Các tác nhân này có thể tấn công phân tử PFAS.

Nghiên cứu mới của các nhà khoa học tại UC Riverside tập trung vào cơ chế này. Công trình được công bố trên tạp chí Nature Water.

Nhóm nghiên cứu tìm hiểu cách UV tham gia vào quá trình phá vỡ PFAS. Họ cũng phân tích các sản phẩm được tạo ra trong quá trình phân hủy.

UV có thể phá vỡ PFAS như thế nào?

Trong nghiên cứu của UC Riverside, UV được sử dụng cùng sulfite.

Quá trình này tạo ra các electron có hoạt tính cao. Các electron này có thể tấn công phân tử PFAS.

Quá trình phản ứng bắt đầu phá vỡ liên kết carbon–fluorine.

Khi liên kết bị phá vỡ, fluorine được giải phóng dưới dạng ion fluoride trong nước.

Các gốc hydroxyl và ion hydroxide cũng tham gia vào quá trình.

Chúng có thể góp phần phá vỡ liên kết carbon–carbon.

Nhờ đó, chuỗi phân tử PFAS tiếp tục bị phân mảnh. Các sản phẩm có chuỗi ngắn hơn có thể tiếp tục trải qua quá trình khử fluor.

Phát hiện mới của UC Riverside có gì đáng chú ý?

Trước đây, nhiều nghiên cứu tập trung vào electron hydrat hóa.

Các electron này được xem là tác nhân quan trọng trong quá trình phá hủy PFAS.

Nghiên cứu mới cho thấy cơ chế phức tạp hơn.

Electron hydrat hóa vẫn đóng vai trò quan trọng. Tuy nhiên, gốc hydroxyl và ion hydroxide cũng tham gia vào các phản ứng.

Nhóm nghiên cứu còn xác định được một số sản phẩm trung gian.

Một sản phẩm chứa carbon đáng chú ý là formate.

Kết quả này giúp các nhà nghiên cứu hiểu rõ hơn về các bước xảy ra trong quá trình phân hủy PFAS.

Tại sao hiểu cơ chế phản ứng lại quan trọng?

Biết PFAS bị phá hủy như thế nào giúp tối ưu công nghệ.

Các kỹ sư có thể điều chỉnh điều kiện vận hành. Họ cũng có thể lựa chọn cách kết hợp các công nghệ phù hợp.

Mục tiêu là tăng mức độ phân hủy PFAS.

Đồng thời, cần kiểm soát các sản phẩm tạo ra trong quá trình xử lý.

Theo nhóm nghiên cứu UC Riverside, hiểu rõ cơ chế phân hủy sẽ tạo cơ sở để cải thiện công nghệ xử lý PFAS.

Loại bỏ PFAS vẫn có vai trò quan trọng

Việc nghiên cứu công nghệ phân hủy không có nghĩa các phương pháp loại bỏ trở nên không cần thiết.

Mỗi công nghệ có một vai trò khác nhau.

Than hoạt tính có thể được sử dụng để hấp phụ chất ô nhiễm. Màng lọc có thể giúp tách nhiều chất khỏi nước.

Trong một hệ thống phức tạp, nhiều công nghệ có thể được kết hợp.

Một hướng tiếp cận là:

Tách PFAS → cô đặc PFAS → phân hủy PFAS

Cách này có thể giúp giảm lượng nước cần xử lý ở bước phân hủy.

Nó cũng giúp tập trung chất ô nhiễm vào một dòng nhỏ hơn.

Những thách thức của công nghệ xử lý PFAS

PFAS không chỉ gồm một hợp chất.

Đây là một nhóm rất lớn với nhiều cấu trúc khác nhau.

Một công nghệ có thể phù hợp với một số PFAS. Hiệu quả đó chưa chắc giống nhau với các hợp chất khác.

Nước thực tế cũng phức tạp hơn nước trong phòng thí nghiệm.

Nước thải có thể chứa nhiều chất hữu cơ. Nước cũng có thể chứa các ion vô cơ và nhiều chất ô nhiễm khác.

Những thành phần này có thể ảnh hưởng đến quá trình xử lý.

Chi phí cũng là một yếu tố quan trọng.

Một quy trình hiệu quả trong phòng thí nghiệm chưa chắc đã phù hợp để vận hành ở quy mô lớn.

Hướng phát triển trong tương lai

Các nghiên cứu về PFAS đang hướng tới nhiều nhóm công nghệ.

Trong đó có công nghệ UV. Một số hướng khác liên quan đến điện hóa và oxy hóa nâng cao.

Công nghệ hấp phụ và màng lọc vẫn có vai trò trong quá trình tách PFAS.

Mục tiêu lâu dài là tìm ra quy trình vừa hiệu quả vừa kiểm soát tốt chi phí.

Khả năng vận hành liên tục cũng rất quan trọng.

Các nhà nghiên cứu cần đánh giá thêm hiệu suất trong điều kiện nước thực tế.

Ý nghĩa đối với ngành xử lý nước

PFAS cho thấy một vấn đề quan trọng trong xử lý nước.

Không phải chất ô nhiễm nào cũng có thể xử lý bằng một công nghệ duy nhất.

Với các chất có cấu trúc bền, quá trình xử lý có thể cần nhiều bước.

Một bước giúp tách chất ô nhiễm khỏi nước. Bước khác có thể xử lý phần chất ô nhiễm đã được cô đặc.

Cách tiếp cận này giúp chuyển từ tư duy “lọc bỏ” sang tư duy “kiểm soát và phân hủy”.

Đây có thể là một hướng nghiên cứu quan trọng của ngành xử lý nước trong những năm tới.

Kết luận

PFAS được gọi là “hóa chất vĩnh cửu” vì nhiều hợp chất có độ bền hóa học rất cao.

Liên kết carbon–fluorine là một nguyên nhân quan trọng.

Trong xử lý nước, cần phân biệt giữa loại bỏ PFAS và phân hủy PFAS.

Loại bỏ giúp giảm PFAS trong dòng nước. Tuy nhiên, PFAS có thể vẫn tồn tại trong vật liệu lọc hoặc dòng chất thải.

Phân hủy hướng tới việc phá vỡ cấu trúc phân tử PFAS.

Nghiên cứu mới của UC Riverside đã làm rõ thêm cơ chế phân hủy PFAS dưới tác động của UV và sulfite. Kết quả cho thấy nhiều tác nhân phản ứng cùng tham gia vào quá trình.

Nghiên cứu này chưa có nghĩa công nghệ UV đã có thể thay thế mọi phương pháp xử lý PFAS.

Tuy nhiên, việc hiểu rõ cơ chế phản ứng có thể giúp phát triển các hệ thống xử lý hiệu quả hơn trong tương lai.

Nguồn tham khảo

• UC Riverside, nghiên cứu về cơ chế phân hủy PFAS dưới tác động của UV.
• Bài nghiên cứu được công bố trên Nature Water với tiêu đề “Comprehensive Mechanisms and Pathways for PFAS Degradation Under UV Irradiation”.

-nmqmkt-