Известные как “forever chemicals”, потенциально токсичные соединения, называемые PFAS, используются во всем — от одежды до сковородок с антипригарным покрытием и зубной нити. Они также стали опасными загрязнителями окружающей среды. Для MIT Technology Reviewавтор Джон Виганд рассматривает компании, пытающиеся разработать новые методы очистки PFAS. Но уборка — это всего лишь одна часть головоломки. “В конечном счете, — пишет Виганд, — степень удаления PFAS из окружающей среды будет зависеть от коллективной воли регулирующих органов, промышленности и общества в целом”.
Scientists are showing these damaging compounds can be beat.
PFAS is a family durable chemical compounds used in countless industrial and consumer product applications, including those seen here.Getty Images / PFAS — это семейство долговечных химических соединений, используемых в бесчисленных промышленных и потребительских товарах, включая те, что представлены здесь. Изображения Getty Images
Образец PFAS скользит по внутренней стороне пластиковой банки, когда я взбалтываю его, темный и мутноватый, как жидкий кленовый сироп. Для многих эти токсичные, так называемые “вечные химические вещества” являются чем-то вроде призрака, незаметно проникающего в нашу жизнь — и в наши тела — более полувека. В окружающей среде PFAS прозрачны и не имеют запаха. Мы можем слышать о них в заголовках газет, задумываться о них, когда открываем кран за стаканом воды или принимаем душ, но мы их не видим. Мы не можем к ним прикоснуться. За исключением того, что это именно то, чем я занимаюсь.
PFAS расшифровывается как “пер- и полифторалкильные вещества”, семейство из более чем 15 000 созданных человеком и невероятно прочных химических соединений, которые десятилетиями использовались в бесчисленных промышленных и потребительских целях. Противопожарная пена, водонепроницаемые туристические ботинки, дождевики, сковороды с антипригарным покрытием, зубная нить, губная помада и даже чернила, используемые для маркировки упаковки, — все это может содержать ПФАС. Эти соединения повсеместно присутствуют в питьевой воде и почве, мигрируя даже в арктический морской лед. ПФАС называются химическими веществами «навсегда», потому что, попав в окружающую среду, они не разлагаются и не разрушаются. Они накапливаются, переносятся по всему водоразделу и в конечном счете сохраняются.
Стремление уменьшить количество PFAS в окружающей среде привело меня в промышленный парк в южном пригороде Гранд-Рапидса, штат Мичиган. Банка с концентратом PFAS в моей руке — часть демонстрации, организованной моими хозяевами, Revive Environmental, во время экскурсии по месту уничтожения PFAS компании, одному из первых в стране, которое работает в промышленных масштабах. В нескольких ярдах передо мной в белом транспортном контейнере стоит “Аннигилятор” компании PFAS.
Аннигилятор представляет собой лишь одну из нескольких технологий, которые в настоящее время соперничают за разрушение PFAS. Они охватывают широкий спектр — от устоявшихся процессов, таких как электрохимическое окисление и сверхкритическое окисление водой, до новых методов, основанных на ультрафиолетовом излучении, плазме, ультразвуке или термических процессах с использованием катализаторов. Некоторые из них используются в ходе полевых испытаний. Другие компании активно запускают пилотные программы, многие совместно с различными подразделениями Министерства обороны США и другими правительственными учреждениями. И многие другие технологии все еще находятся в стадии лабораторных исследований.
Для этого есть веская причина. ПФАС не только повсюду вокруг нас, они также находятся в нас самих. Люди не могут расщеплять ПФК, и наш организм изо всех сил пытается вывести их из организма. Исследования показывают, что они содержатся в моей и вашей крови — фактически, в крови большинства американцев — и связаны с повышенным риском развития рака почек и яичек, снижением веса младенцев при рождении и высоким кровяным давлением. И это только то, о чем мы знаем сейчас: исследователи продолжают в полной мере изучать воздействие PFAS на здоровье человека и окружающую среду.
Аннигилятор Revive и другие зарождающиеся технологии уничтожения демонстрируют первые признаки того, что эти “вечные химические вещества” могут быть удалены из окружающей среды навсегда, ограничивая дальнейшее воздействие на человека и риск. Но уничтожение PFAS — это только один шаг в полном процессе восстановления. По всему миру исследователи разрабатывают новые технологии и методологии, позволяющие лучше понимать, тестировать и отслеживать химические вещества, а также выявлять альтернативные материалы для окончательного устранения ПФА.
Разрушая это. История PFAS восходит к середине 20-го века, когда химический гигант 3M изобрел PFOA (перфтороктановую кислоту) для предотвращения слипания антипригарных покрытий в процессе производства. В конце концов, 3M начала продавать этот материал другим химическим компаниям, включая DuPont, которая использовала этот материал для своего революционного на тот момент покрытия — тефлона. Позже другие производители, такие как Chemours и Corteva, разработали и выпускали свои собственные бренды. Воздействие PFAS на здоровье и степень проникновения химических веществ в окружающую среду не были обнаружены до начала 2000-х годов, когда судебный иск против DuPont выявил доказательства того, что химические компании знали о некоторых рисках, которые PFAS представляют для здоровья человека, но намеренно сбрасывали их в водные пути и незащищенные водоемы, где они в конечном итоге производили свои продукты. попадание в питьевую воду и к людям.
Хотя прошли годы с тех пор, как первоначальные сведения о вреде PFAS были обнародованы, ученые и регулирующие органы с тех пор боролись с тем, как наилучшим образом устранить загрязнение и обеспечить безопасность людей. Традиционно ПФА обрабатываются стандартными методами фильтрации воды: гранулированным активированным углем, обратным осмосом, ионообменными смолами. Эти методы чрезвычайно хорошо работают для улавливания PFAS. Однако проблема в том, что после улавливания химические вещества никуда не деваются. Фильтры выбрасываются или химически промываются для повторного использования, а печально известные прилипчивые PFAS вновь попадают в окружающую среду через свалки и сточные воды. Сжигание — еще один традиционный метод смягчения последствий — сопряжено с риском попадания неразрушенных соединений PFAS вверх по дымовой трубе и в воздух. Все это время ПФА продолжают производиться, использоваться, выбрасываться и циркулировать в окружающей среде. И вот идет охота за способом сделать forever chemicals немного более эфемерными.
Для аннигилятора Revive использует метод разрушения, называемый сверхкритическим окислением водой (SCWO), для расщепления прочных углерод-фтористых связей, которые характеризуют соединения PFAS. В другом транспортном контейнере, который служит станцией мониторинга для аннигилятора, Дэвид Труэба указывает на ряд компьютерных мониторов, отображающих данные с различных датчиков внутри устройства уничтожения. Труэба является президентом и генеральным директором Revive и является одним из моих гидов в туре. SCWO, по сути, представляет собой скороварку PFAS, объясняет он, нагревающую и сжимающую загрязненную жидкость до сверхкритического состояния при температуре выше 500 ° C и давлении 3200 фунтов на квадратный дюйм. В этом состоянии, когда вода оказывается в своего рода чистилище между жидкостью и газом, кислород становится растворимым, и в результате окисления запускается реакция, которая в конечном счете разрушает PFAS. Среди других применений SCWO использовался для вывода из эксплуатации и уничтожения старых запасов иприта, жестокого химического оружия, которым были поражены окопы во время Первой мировой войны. Национальная исследовательская некоммерческая организация Battelle адаптировала SCWO для работы с PFAS и выделила Revive в качестве частной организации с инвестициями от Viking Global Investors в январе 2023 года.
The DoD is funding research into alternative firefighting foams that meet military standards./Министерство обороны финансирует исследования в области альтернативных пенообразователей для пожаротушения, соответствующих военным стандартам.
После разрушения PFAS раствор подвергается нескольким процедурам последующей обработки. Затем он охлаждается и перекачивается в пластиковые емкости для хранения и последующего сброса на местную станцию очистки сточных вод. Готовый продукт имеет цвет морской волны, напоминающий воду, которую вы могли бы увидеть на карибском пляже, и Trueba говорит, что его тесты ниже установленных в Мичигане стандартов максимального содержания загрязняющих веществ для PFAS.
Подходы и цели. Операция по уничтожению Revive нацелена на PFAS в фильтрате свалки — научный термин, обозначающий то, что происходит, когда дождевая вода проходит через отходы свалки, поглощая по пути химические вещества и загрязняющие вещества из разлагающегося материала. Фильтрат со свалок является одним из основных источников загрязнения ПФАС, что неудивительно, поскольку именно там в конечном итоге оказываются многие продукты, содержащие ПФАС.
Ранее во время экскурсии мы ходили на соседнее предприятие, где пара рабочих, одетых в тяжелые комбинезоны, каски и ботинки, управлялись со шлангом, тянущимся из задней части полуприцепа из полированной стали. Рабочие откачивали фильтрат, доставленный грузовиками с близлежащей свалки компанией Heritage-Crystal Clean, предоставляющей экологические услуги в партнерстве с Revive. Запах был примерно таким, какой можно было бы ожидать от коричневого, вязкого коктейля разложения.
“Это запах денег”, — сказал Труэба. Позже он сказал мне: “Инновация, на мой взгляд, — это не просто идея, за нее еще и платят. Это приобретает ценность на рынке, потому что рынок ценит то, что это внедряется ”.
Это может звучать немного жестоко по-капиталистически для такой широко распространенной социальной проблемы, как PFAS, однако эксперты указывают на вполне реальные проблемы затрат, с которыми сталкиваются компании и муниципалитеты, оплачивающие счета за уничтожение PFAS. Существует не только гонка за уничтожением PFAS, но и гонка за тем, чтобы сделать это как можно более экономично и действенно. И Revive, с ее фирменной технологией SCWO, не единственная, кто управляет трассой.
“Важно, что эта проблема не является проблемой в десятки или сотни триллионов долларов. Это должно быть связано с многомиллиардной проблемой”, — говорит Дэниел Чо, основатель и генеральный директор Onvector, компании по очистке воды, использующей плазменную технологию для уничтожения PFAS.
На видео, демонстрирующем технологию Onvector, виден ярко-синий мерцающий свет, похожий на сварочную дугу, сопровождаемый пронзительным визгом. Во время нашей беседы Чо называет эту технологию “молнией и огнем, надежно доставляемыми внутри струящегося водяного циклона”. Это запоминающаяся фраза, предназначенная для того, чтобы вместить научные достижения нескольких докторов наук в аккуратную, запоминающуюся упаковку. На самом деле технические аспекты более сложны.
Технология Onvector сочетает в себе действие центробежного сепаратора с электродом, который ионизирует газ, подаваемый в устройство. В результате реакции образуются электроны высокой энергии, которые атакуют соединения PFAS и разрушают их. В настоящее время система развернута на объединенной базе Кейп-Код в Массачусетсе и была частично поддержана за счет грантового финансирования AFWERX, подразделения skunkworks Военно-воздушных сил США. По его словам, Чо рассчитывает полностью масштабировать Onvector в 2024 году.
Другая многообещающая технология уничтожения PFAS разрабатывается базирующейся в Вашингтоне компанией Aquagga. Компания использует метод, известный как HALT (гидротермальная щелочная обработка), своего рода родственник процесса SCWO, используемого Revive. HALT также использует давление и тепло для разрушения PFAS, но перед обработкой в качестве катализатора используется гидроксид натрия. Это позволяет обрабатывать PFAS при гораздо более низких температурах, чем SCWO, говорит Брайан Пинкард, соучредитель и технический директор Aquagga.
Как и SCWO, эта технология была впервые разработана для обработки запасов химического оружия. Исследователи из Горной школы Колорадо адаптировали его для уничтожения PFAS и лицензировали Aquagga для коммерческого использования. Пинкард познакомился с основами технологии HALT во время работы над докторской диссертацией в Вашингтонском университете, которая касалась вывода из эксплуатации запасов смертоносных нервно-паралитических веществ, таких как зарин и газ VX. Он рассматривает уничтожение PFAS и уничтожение химического оружия как схожие “наборы проблем”.
“У вас есть эти токсичные отходы. Никто не хочет его перевозить. Никто не хочет его сжигать”, — говорит Пинкард. “Каждый хочет иметь систему, которую можно привезти на место, подключить к бочке или тотализатору, перерабатывать отходы на месте и превращать их в нетоксичные побочные продукты”.
Несмотря на то, что эти и другие новые технологии уничтожения являются многообещающими, единого решения по удалению ПФА из окружающей среды не существует, и каждая технология сопряжена со своими собственными проблемами. SCWO борется с высокой концентрацией соли и требует предварительной обработки для ее удаления. В результате этого процесса также образуется плавиковая кислота, которую Revive должна нейтрализовать, прежде чем очищенная жидкость сможет снова попасть в муниципальную систему водоснабжения. Для функционирования HALT требуется катализатор из гидроксида натрия, в то время как plasma еще предстоит доказать свою рентабельность в масштабе. Тем временем другие компании разрабатывают методы обработки ПФА в твердом веществе.
Затем возникает вопрос о том, какие конкретные химические вещества PFAS на самом деле уничтожаются. Цифры сильно варьируются, но, по оценкам экспертов, существует от 6000 до 15 000 отдельных соединений PFAS. Технологии уничтожения эффективны для устранения некоторых из них, таких как подгруппы ПФОС и ПФОК, широко используемые в промышленности и быту. Однако эти соединения также являются наиболее широко изученными и регулируемыми государственными природоохранными органами. Еще тысячи недостаточно изучены и непроверены, и жюри все еще не определилось с тем, могут ли существующие технологии уничтожения устранить их. Даже пенное фракционирование, популярный и эффективный метод разделения и концентрирования ПФАС перед разрушением, с трудом позволяет получить соединения ПФАС, которые не так подвержены вспениванию.
Эти неопределенности подпитывают множество предположений и интриг среди компаний, занимающихся уничтожением PFAS. На кону стоит доступ к значительному неиспользованному рынку, и некоторые компании быстро отказываются от своих собственных технологий в качестве конечной цели. Однако реальность такова, что для решения проблемы, скорее всего, потребуется целый ряд зрелых технологий, каждая из которых будет применена в ситуациях, соответствующих их сильным сторонам.
“Суть в том, что способ, которым мы подходим к лечению, будет сильно зависеть от места, и мы считаем, что лучше всего иметь несколько вариантов”, — сказал высокопоставленный представитель Министерства обороны США в интервью MIT Technology Review.
Министерство обороны является одним из основных движущих сил исследований по уничтожению PFAS, так или иначе финансируя многие технологии, используемые сегодня. Большая часть работы, которую поддерживает Министерство обороны, направлена на борьбу с загрязнением окружающей среды вокруг военных объектов. В течение многих лет американские военные распыляли материал, известный как водная пленкообразующая пена (AFFF), для тушения пожаров, будь то на тренировках или в реальных ситуациях. AFFF изобилует некоторыми из наиболее вредных соединений PFAS, и с тех пор Министерство обороны потратило значительные средства и усилия, пытаясь устранить возникшее в результате загрязнение.
По словам представителя министерства обороны, агентства Министерства обороны, которые проводят экологические исследования и разработки и валидацию, профинансировали только уничтожение PFAS и связанные с ними проекты на сумму 160 миллионов долларов с тех пор, как взяли на себя ответственность в 2009 году. Помимо Министерства обороны, администрация Байдена также недавно сделала этот вопрос ключевым приоритетом, выделив 5 миллиардов долларов из своего двухпартийного закона об инфраструктуре на 2023 год для борьбы с загрязнением PFAS.
Десятилетия распространения. Несмотря на прогресс в технологиях уничтожения, физический (или химический) акт уничтожения ПФАС представляет собой лишь малую часть работы, необходимой для того, чтобы навсегда избавить окружающую среду от этих соединений. По словам Филипа Саймона, основателя и президента Ann Arbor Technical Services, консалтинговой фирмы по охране окружающей среды, базирующейся в Мичигане, повторное использование традиционных технологий восстановления, используемых для обработки основных загрязняющих веществ, таких как хлорированные углеводороды (включая ПХД), пестициды (включая ДДТ) и свинец, просто не поможет справиться с этим с помощью PFAS. PFA во многих случаях требуют переписывания плана действий по исправлению положения.
“У вас есть много соединений, которые очень широко используются в торговле в нерегулируемых условиях в течение 70 лет”, — говорит Саймон. “Такого никогда не случалось с ПХД — никогда. Этого не произошло с хлорированными пестицидами. Так что, если вы думаете, что ДДТ и хлорированные пестициды, а затем и ПХД предвещают то, с чем мы здесь сталкиваемся, забудьте об этом. Все гораздо сложнее, чем кажется.”
В то время как руководство по PFAS все еще находится в стадии написания, часть работы включает в себя новые методы экологической криминалистики, область, по сути, равнозначную химическому расследованию. По словам Саймона, ПФАС — и другие загрязняющие вещества — имеют свои собственные химические отпечатки пальцев. Производители используют несколько иные химические составы и технологические процессы при создании составов. Эти различия и примеси, вносимые попутно, придают PFAS уникальные сигнатуры, которые эксперты-криминалисты могут отследить до источника. Этот тип информации дает более точную картину конкретных типов ПФА, присутствующих в месте загрязнения, что делает возможным более целенаправленное лечение. По словам Саймона, в будущем судебно-медицинская экспертиза, вероятно, также сыграет ключевую роль в определении того, какие стороны несут ответственность за выпуск PFAS и, следовательно, должны финансировать усилия по исправлению положения.
Министерство обороны начало финансировать проекты в области криминалистики, связанные с PFAS, в 2020 году и с тех пор поддерживает такие проекты, как создание библиотеки криминалистических соединений PFAS, разработка мобильных лабораторий для быстрого анализа PFAS и использование моделей машинного обучения для распознавания и анализа PFAS.
Еще более важным, чем устранение PFAS, уже присутствующих в окружающей среде, является обеспечение того, чтобы они больше не использовались или даже не производились в первую очередь. В этой области достигнут существенный прогресс: надвигается облако регулирования PFAS в национальном масштабе, а клиенты становятся все более осведомленными о потенциальных рисках для здоровья, и все больше компаний углубляются в свои цепочки поставок, чтобы выяснить, где находятся PFAS и как найти замену, говорит Шари Франьевич, руководитель программы GreenScreen for Safer Chemicals, которая предоставляет сертификаты на продукцию, не содержащую PFAS и других вредных веществ. На веб-сайте GreenScreen перечислено около 150 продуктов, которые организация признала безопасными, включая химикаты для текстильного производства, уборки, общественного питания и пожаротушения. Министерство обороны также финансирует исследования альтернативных противопожарных пенопластов, соответствующих военным стандартам, некоторые из которых, по словам представителя министерства обороны, “многообещающие”.
Во многих случаях соединения, которые использовались до широкого внедрения PFAS, все еще предлагают жизнеспособные и безопасные альтернативы, говорит Франьевич, ссылаясь на натуральные воски, которые когда-то использовались в зубной нити и упаковке пищевых продуктов.
“Я думаю, что когда люди думают об альтернативах, они исходят из предположения, что необходимо изобрести или найти новую химию”, — говорит Франьевич. “И в большинстве случаев это просто неправда, потому что существуют исторические продукты, в которых использовались другие химические вещества”.
Крупные производители химической продукции также начали поддаваться растущему давлению, требуя прекратить производство ПФАС и ответить за свою роль, а часто и за самоуспокоенность, в загрязнении ПФАС. В середине 2023 года компания 3M согласилась выплатить компенсацию в размере 10,3 миллиарда долларов для финансирования восстановления PFAS в общественном водоснабжении в течение следующих 13 лет. Урегулирование последовало за объявлением 3M в конце 2022 года о том, что она прекратит все производство PFAS к 2025 году. Другие крупные производители PFAS, включая DuPont, Chemours и Corteva, договорились о выплате почти 1,2 миллиарда долларов в связи с их ролью в производстве PFAS и загрязнении окружающей среды в середине 2022 года.
Однако отучить как промышленность, так и потребителей от PFAS оказывается нелегкой задачей. Подобно химическим линчевателям, эти соединения могут оставлять после себя беспорядок, но трудно оспаривать их эффективность. В то время как 3M, возможно, планирует прекратить производство, многие другие химические компании по всему миру по-прежнему производят ПФА, и готовность внедрять альтернативы варьируется в зависимости от отрасли.
“Я думаю, что понятие пиковых PFAS все еще очень, очень неуловимо”, — говорит Чо из Onvector. “Мы должны контролировать, как мы это делаем, или [определять], каково основное применение”.
Например, в пищевой упаковке PFAS обычно используются в качестве барьера для жира или жидкости на продуктах, включая коробки для пиццы, соломинки для питья и одноразовые кофейные чашки. Хотя на рынке существует упаковка для пищевых продуктов, не содержащая PFAS, большинство из них не соответствует стандартам производительности или стоимости, требуемым промышленностью, говорит Кит Ворст, директор Консорциума по полимерам и защите пищевых продуктов и доцент кафедры пищевых наук и питания человека в Университете штата Айова. “Я не знаю, готовы ли владельцы брендов отказаться от производительности”, — говорит Ворст. “Здесь слишком много страха”.
Ученые штата Айова, в том числе Ворст и его коллега Грег Куртцвилер, экспериментируют с внедрением полимеров и связующих веществ в побочные сельскохозяйственные продукты, такие как кофейная гуща и корень маниоки, чтобы создать упаковку без “преднамеренного добавления PFAS”, говорит Ворст.
Фраза “намеренно добавленная” подчеркивает, насколько острой является проблема PFAS. По словам Ворста, поскольку эти соединения настолько широко распространены в окружающей среде, продукт может непреднамеренно впитывать их через материалы, включая воду, используемые для его производства. Он отмечает, что продукты, содержащие переработанные и рекуперированные материалы, особенно подвержены воздействию PFAS, поскольку эти переработанные материалы, такие как бумага, уже могут быть загрязнены.
Сложность и повсеместное распространение PFAS чрезвычайно затрудняют восстановление, хотя и наблюдается определенный прогресс. Огромное количество времени и ресурсов было потрачено на понимание химических свойств соединений, их уязвимости и последствий для окружающей среды и здоровья человека. Но достигнутый прогресс был достигнут благодаря тому, что люди и группы боролись со значительными препятствиями: безразличием к окружающей среде, политической боязливостью и запутанностью отрасли. Мнение тех, с кем я беседовал, наводит на мысль, что вся эта работа сейчас объединяется, просто ожидая толчка через край, чтобы действительно набрать обороты и привести к долгосрочным переменам. Многие полагают, что толчок будет дан в форме федерального регулирования.
В марте 2023 года Агентство по охране окружающей среды США предложило национальные стандарты питьевой воды для шести соединений PFAS в рамках стратегической дорожной карты агентства по PFAS. На данный момент эти стандарты представляют собой предложения, но инсайдеры отрасли ожидают, что правила, касающиеся загрязнения PFAS в воде, почве и других частях окружающей среды, будут приняты к концу 2024 года. Европейский союз также изучает возможность введения широких ограничений на производство и использование ПФА. В Австралии, Новом Южном Уэльсе и Южной Австралии запрещено использование противопожарных пенообразователей, содержащих PFAS, а Департамент по вопросам изменения климата, энергетики, окружающей среды и водных ресурсов правительства Австралии разрабатывает национальный план управления PFAS. Как только правила вступят в силу, все, от владельцев частных свалок и муниципалитетов до производителей, будут вынуждены изучить свою роль в обращении с ПФАС и инвестировать в удаление соединений из своего технологического процесса или их полное уничтожение.
Однако в США, в отсутствие строгих федеральных руководящих принципов, регулирование PFAS до сих пор оставалось в руках отдельных штатов. “Штаты действуют в соответствии со своим собственным графиком. Некоторые из них ждут, что предпримет федеральное правительство. Некоторые движутся быстрее”, — говорит Пинкард из Aquagga. “Все это происходит в режиме реального времени. Даже за последний год ситуация сильно изменилась. ”Некоторые штаты, такие как Мичиган, Мэн и Висконсин, разработали обязательные к исполнению стандарты качества питьевой воды. Но многие другие далеко не достигли обязательных к исполнению нормативных актов, а некоторые вообще ничего не делают для регулирования PFAS.
“Люди не собираются обрабатывать воду сверх того, что от них требуется по закону”, — говорит Чо. Он также отмечает, что “отсутствие согласованных на национальном уровне правил в отношении PFAS было основным препятствием на пути эволюции в этой области [уничтожения PFAS]”.
В конечном счете, степень удаления PFAS из окружающей среды будет зависеть от коллективной воли регулирующих органов, промышленности и общества в целом. В то время как политики постепенно приближаются к регулированию, а частная промышленность изводится из-за ответственности и рисков, исследователи, разрабатывающие технологии уничтожения, планируют продолжать демонстрировать, что даже химические вещества forever далеки от непобедимости.
John Wiegand is a freelance journalist based in Michigan.