Czy można zapobiegać zanieczyszczeniom już na etapie projektowania chemikaliów?

Co to jest PFAS?

Trwałe substancje chemiczne, w tym PFAS określane często mianem „wiecznych chemikaliów", stały się jednym z największych wyzwań środowiskowych i zdrowotnych XXI wieku. Ich wyjątkowa odporność na rozkład sprawia, że mogą pozostawać w wodzie, glebie i ekosystemach przez dziesięciolecia, a koszty ich usuwania stale rosną.

Coraz częściej pojawia się jednak pytanie: czy problem zanieczyszczeń można rozwiązać jeszcze na etapie projektowania cząsteczek?

Jedną z odpowiedzi jest koncepcja Treatable by Design, rozwijana m.in. przez dr. Gabriela Sigmunda z Wageningen University & Research. Zakłada ona, że już podczas opracowywania nowych substancji chemicznych należy uwzględniać nie tylko ich właściwości użytkowe, ale również możliwość skutecznego usunięcia ich ze środowiska po zakończeniu cyklu życia produktu.

 

Gdzie występują PFAS?

PFAS (per- i polifluoroalkilowe substancje chemiczne) obejmują tysiące różnych związków zawierających silne wiązania węgiel-fluor. To właśnie one odpowiadają za wyjątkową trwałość tych substancji.

PFAS są wykorzystywane m.in. w:

• pianach gaśniczych,
• powłokach nieprzywierających,
• odzieży wodoodpornej,
• procesach przemysłowych,
• specjalistycznych materiałach technicznych.

Problem polega na tym, że wiele z tych substancji praktycznie nie ulega naturalnej biodegradacji. Nawet bardzo niskie stężenia mogą budzić obawy związane z wpływem na zdrowie człowieka i środowisko. W rezultacie laboratoria środowiskowe oraz operatorzy instalacji uzdatniania wody stają przed coraz większym wyzwaniem związanym z monitorowaniem i usuwaniem PFAS.

 

Safe by Design i Treatable by Design – czym różnią się te podejścia?
Od kilku lat rozwijana jest koncepcja Safe and Sustainable by Design, zgodnie z którą nowe substancje powinny być projektowane tak, aby były możliwie bezpieczne dla człowieka i środowiska.
Nie zawsze jednak jest to możliwe.
W przypadku:

• pestycydów,
• części zastosowań przemysłowych,
• specjalistycznych materiałów odpornych na wysokie temperatury,
• substancji wymagających szczególnych właściwości funkcjonalnych,
• niektóre cechy użytkowe mogą pozostawać w konflikcie z założeniami „bezpiecznego projektowania".

W takich przypadkach pojawia się koncepcja Treatable by Design.
Jej głównym założeniem jest projektowanie substancji w taki sposób, aby można je było:

1. skutecznie rozłożyć biologicznie,
2. łatwo oddzielić od środowiska,
3. efekywnie skoncentrować,
4. ostatecznie zniszczyć przy rozsądnych kosztach energetycznych i ekonomicznych.

Jakie cechy powinien mieć związek „Treatable by Design"?
Zdaniem dr. Sigmunda proces powinien przebiegać zgodnie z określoną hierarchią.

1. Biodegradowalność
Najbardziej pożądanym rozwiązaniem jest możliwość rozkładu związku w standardowych procesach biologicznych, takich jak oczyszczanie ścieków. Pozwala to wykorzystać istniejącą infrastrukturę bez konieczności wdrażania energochłonnych metod usuwania.

2. Łatwość separacji
Jeżeli biodegradacja nie jest możliwa, substancja powinna być zaprojektowana tak, by łatwo można ją było oddzielić z wykorzystaniem:

• węgla aktywnego,
• żywic jonowymiennych,
• membran nanofiltracyjnych,
• innych procesów sorpcyjnych i membranowych.
• W tym przypadku znaczenie mają m.in.:
• wielkość cząsteczki,
• ładunek elektryczny,
• właściwości hydrofobowe.

3. Możliwość koncentracji
Im skuteczniej można skoncentrować zanieczyszczenie, tym mniej energii potrzeba do jego późniejszego zniszczenia. Jest to szczególnie istotne przy usuwaniu śladowych ilości substancji występujących w ogromnych objętościach wody.

4. Skuteczna destrukcja
Dopiero ostatnim etapem powinny być technologie niszczące zanieczyszczenia, takie jak:

• spalanie w wysokich temperaturach,
• utlenianie elektrochemiczne,
• zaawansowane procesy utleniania (AOP),
• ozonowanie.

 

Co oznacza to dla laboratoriów analitycznych?
Rozwój koncepcji Treatable by Design może zwiększyć znaczenie laboratoriów już na etapie opracowywania nowych substancji.
Laboratoria będą odgrywać kluczową rolę w:

• ocenie trwałości środowiskowej nowych związków,
• badaniu produktów degradacji,
• monitorowaniu skuteczności procesów oczyszczania,
• analizie PFAS i ich prekursorów,
• wspieraniu producentów w spełnianiu wymagań regulacyjnych.

Coraz większe znaczenie zyskują także zaawansowane techniki analityczne, zwłaszcza:

LC-MS/MS

Chromatografia cieczowa sprzężona ze spektrometrią mas pozostaje podstawowym narzędziem oznaczania wielu związków PFAS w wodzie i próbkach środowiskowych.

Analizy prekursorów PFAS
Coraz większe znaczenie mają metody pozwalające identyfikować związki prekursorowe, które mogą z czasem przekształcać się w bardziej trwałe i mobilne formy PFAS.

 

 

Dlaczego sama remediacja nie wystarczy?
Jednym z najważniejszych wniosków płynących z rozmowy jest fakt, że nawet najbardziej zaawansowane technologie oczyszczania nie są w stanie nadążyć za skalą emisji trwałych zanieczyszczeń.
Usuwanie PFAS:

• jest kosztowne,
• wymaga dużych nakładów energetycznych,
• generuje dodatkowe strumienie odpadów wymagające dalszej obróbki.

Dlatego coraz większą uwagę zwraca się na działania realizowane u źródła emisji. Nawet niewielka poprawa skuteczności eliminacji zanieczyszczeń w miejscu ich powstawania może przynieść znacznie większe korzyści niż kosztowne działania prowadzone na późniejszych etapach.

 

Wpływ regulacji na przyszłość chemii
Dyskusje dotyczące PFAS coraz mocniej wpływają na kształt regulacji chemicznych, szczególnie w Europie. Rosnące wymagania dotyczące bezpieczeństwa chemikaliów powodują, że producenci są zmuszeni uwzględniać nie tylko wydajność produktu, ale także:

• trwałość środowiskową,
• możliwość monitorowania,
• potencjalną toksyczność,
• skuteczność procesów usuwania po zakończeniu użytkowania.

Może to przyspieszyć wdrażanie zarówno zasad Safe by Design, jak i Treatable by Design w procesach badawczo-rozwojowych.

 

Najważniejsze wnioski

• PFAS należą do najtrudniejszych do usunięcia zanieczyszczeń środowiskowych.
• Koncepcja Treatable by Design zakłada projektowanie chemikaliów z myślą o ich późniejszym usuwaniu.
• Priorytetem powinny być biodegradacja i łatwa separacja, a nie kosztowna remediacja końcowa.
• Laboratoria analityczne będą odgrywać coraz większą rolę w ocenie trwałości i podatności substancji na usuwanie.
• Ograniczanie emisji u źródła pozostaje najbardziej efektywnym rozwiązaniem środowiskowym i ekonomicznym.

 

Czym jest Treatable by Design?
To podejście zakłada projektowanie substancji chemicznych tak, aby po wykorzystaniu można je było łatwo rozłożyć, oddzielić lub zniszczyć przy użyciu dostępnych technologii oczyszczania.

Dlaczego PFAS są określane jako „wieczne chemikalia"?
Ze względu na bardzo trwałe wiązania chemiczne, które sprawiają, że substancje te praktycznie nie ulegają naturalnemu rozkładowi w środowisku.

Jakie metody służą do oznaczania PFAS?
Najczęściej stosuje się chromatografię cieczową sprzężoną ze spektrometrią mas (LC-MS/MS), umożliwiającą oznaczanie wybranych związków PFAS na bardzo niskich poziomach stężeń.

Czy wszystkie PFAS można zastąpić innymi substancjami?
Nie zawsze. W części zastosowań przemysłowych alternatywy są już dostępne, jednak w niektórych specjalistycznych zastosowaniach nadal trwają prace nad bezpieczniejszymi zamiennikami.

 

Więcej infromacji:

Podcast naukowy: Jak PFAS zdominowało świat?

Opracowanie techniczne: Redukcja stosowania PFAS w laboratorium