วัสดุใหม่ทำลายสารเคมีชั่วฟ้าดินดับได้ถึง 90% ในห้องทดลอง

ลองนึกภาพการปลดล็อกกุญแจที่ถูกสร้างมาให้ไม่มีวันพัง นั่นคือสิ่งเหล่านักวิทยาศาสตร์ต้องเจอเมื่อต่อสู้กับ สารเคมีชั่วฟ้าดินดับ หรือที่รู้จักกันในชื่อ PFAS

แต่ผลงานวิจัยล่าสุดอาจช่วยให้เราปลดล็อกนี้ได้สำเร็จ นักวิจัยจาก Wuxi University, Nanjing University of Science and Technology และ Nanjing University ได้คิดค้นวัสดุตอบสนองต่อแสงที่สามารถทำลายสารเคมี PFAS ชนิดทั่วไปได้สูงถึง 90.2% ในการทดสอบในห้องปฏิบัติการ

ทำไมสารเคมีชั่วฟ้าดินดับถึงทำลายได้ยากขนาดนี้

ถ้าคุณติดตามข่าวสารเรื่องน้ำสะอาด คุณคงรู้ว่า PFAS (สารเพอร์และโพลีฟลูออโรอัลคิล) ปะปนอยู่ทั่วทุกแห่ง พวกมันถูกใช้ในกระทะเทฟลอน โฟมดับเพลิง และสิ่งของกันน้ำต่างๆ

เมื่อเวลาผ่านไป สารเคมีเหล่านี้จะรั่วซึมลงสู่น้ำใต้ดิน แม่น้ำ และน้ำประปา ปัญหาที่แท้จริงคือโครงสร้างเคมีของมันที่ยึดกันด้วยพันธะคาร์บอน-ฟลูออรีน ซึ่งเป็นหนึ่งในพันธะที่แข็งแกร่งที่สุดในทางเคมี

โรงงานผลิตน้ำประปาส่วนใหญ่ใช้ไส้กรองอย่างถ่านกัมมันต์หรือเรซินแลกเปลี่ยนไอออน ตัวกรองเหล่านี้จะช่วยดักจับ PFAS ออกจากน้ำ แต่ไม่ได้ทำลายพวกมันทิ้ง

นั่นทำให้โรงงานประปาเหลือขยะอันตรายเข้มข้นที่ยังเต็มไปด้วยโมเลกุลพิษ มันเป็นเพียงการย้ายปัญหาไปที่อื่น ไม่ใช่การแก้ปัญหาที่ต้นเหตุ

วัสดุตอบสนองต่อแสงตัวใหม่นี้ทำงานอย่างไร

เพื่อรับมือกับความท้าทายนี้ ทีมวิจัยได้สร้างวัสดุผสมพิเศษขึ้นมา โดยรวมสองส่วนผสมสำคัญเข้าด้วยกัน ได้แก่ ฟองน้ำที่มีพื้นที่ผิวสูงเรียกว่า กราฟีนแอโรเจล (graphene aerogel) และโครงข่ายตอบสนองต่อแสงที่เรียกว่า MIL-125-NH2(Ti)

เมื่อแสงอัลตราไวโอเลต (UV) ส่องมาที่วัสดุนี้ จะเกิดกระบวนการเร่งปฏิกิริยาด้วยแสง (photocatalysis) แสง UV จะกระตุ้นปฏิกิริยาเคมีที่ช่วยดึงอะตอมฟลูออรีนออกจากโมเลกุล PFAS ทำให้พวกมันสลายตัวลงได้อย่างมีประสิทธิภาพ

ทีมวิจัยเรียกวิธีการของพวกเขาว่า nanoconfinement หรือการบีบอัดระดับนาโน ให้ลองนึกภาพเหมือนการเชิญคนสองคนเข้าไปในห้องเล็กๆ เพื่อบังคับให้พวกเขาต้องมีปฏิสัมพันธ์กัน

แอโรเจลที่มีรูพรุนจะดึงโมเลกุล PFAS เข้าไปในช่องว่างระดับจิ๋ว ในเวลาเดียวกัน โครงข่ายตอบสนองต่อแสงก็สร้างสารเคมีเร่งปฏิกิริยาขึ้นข้างๆ พวกมัน การสัมผัสใกล้ชิดนี้ช่วยให้ปฏิกิริยาเคมีทำลายพันธะอันแข็งแกร่งได้ง่ายขึ้นมาก ก่อนที่พลังงานจะสูญสลายไป

ผลการทดสอบในห้องปฏิบัติการเผยให้เห็นอะไรบ้าง

ผลการวิจัยนี้ได้รับการตีพิมพ์ในวารสาร Nature Communications (DOI: 10.1038/s41467-026-78192-7) โดยทีมงานได้ทดสอบวัสดุดังกล่าวกับ PFAS หลายชนิดเป็นเวลา 12 ชั่วโมงภายใต้แสง UV

และนี่คือประสิทธิภาพของวัสดุผสมนี้เมื่อเจอกับโครงสร้างเคมีที่แตกต่างกัน:

• PFOA (PFAS สายยาว): สามารถขจัดฟลูออรีนได้ถึง 90.2% ภายใน 12 ชั่วโมง
• PFHxA (PFAS สายสั้นกว่า): สามารถย่อยสลายได้ 65.3%
• PFBA (PFAS สายสั้นกว่า): สามารถย่อยสลายได้ 51.8%

PFOA เป็นสารประกอบสายยาวที่เป็นที่รู้จักกันดี ซึ่งเป็นต้นเหตุของคดีฟ้องร้องและการฟื้นฟูสิ่งแวดล้อมหลายแห่งในสหรัฐอเมริกา การทำลายได้เกิน 90% ในห้องทดลองจึงถือเป็นความก้าวหน้าครั้งใหญ่

ส่วนสารประกอบสายสั้นอย่าง PFHxA และ PFBA นั้นทำลายยากกว่า เพราะมักจะละลายอยู่ในน้ำและเล็ดลอดผ่านไส้กรองแบบเดิมได้ง่าย

แม้วัสดุนี้จะไม่สามารถกำจัด PFAS สายสั้นได้ทั้งหมด แต่การย่อยสลายได้เกินครึ่งก็แสดงให้เห็นถึงความสำเร็จที่กว้างขวางกว่าหลายวิธีที่มีอยู่ในปัจจุบัน

เส้นทางจากห้องทดลองสู่น้ำประปาในชีวิตจริง

การเปลี่ยนการทดลองที่ประสบความสำเร็จในห้องปฏิบัติการไปสู่ระบบโครงสร้างพื้นฐานน้ำประปาในชีวิตประจำวัน ต้องใช้เวลาและการพัฒนาทางวิศวกรรมเพิ่มเติม

ยังคงมีอุปสรรคในโลกความเป็นจริงอีกหลายประการ ก่อนที่โรงงานผลิตน้ำประปาเทศบาลจะสามารถใช้ระบบนี้ได้:

• ต้นทุนพลังงาน: การเปิดระบบแสง UV กำลังสูงอย่างต่อเนื่องต้องใช้ไฟฟ้าจำนวนมาก
• ความทนทานของตัวเร่งปฏิกิริยา: นักวิจัยต้องพิสูจน์ให้ได้ว่าวัสดุนี้ยังคงเสถียรเมื่อผ่านการทำความสะอาดหลายรอบ
• ความซับซ้อนของน้ำในธรรมชาติ: น้ำตามธรรมชาติมีสารออร์แกนิกและมลพิษปะปนอยู่ ซึ่งอาจบดบังแสง UV หรือรบกวนปฏิกิริยาเคมีได้

หน่วยงานกำกับดูแลอย่างสำนักงานปกป้องสิ่งแวดล้อมแห่งสหรัฐอเมริกา (EPA) กำลังออกกฎเกณฑ์ที่เข้มงวดขึ้นสำหรับ PFAS ในน้ำดื่ม แรงกดดันนี้กระตุ้นให้เกิดความต้องการเทคโนโลยีที่สามารถทำลายล้างสารเหล่านี้ได้อย่างสมบูรณ์

หากวิศวกรสามารถขยายขนาดวัสดุนี้ให้รองรับปริมาณน้ำจำนวนมากได้ มันอาจเปลี่ยนวิธีจัดการน้ำประปาไปตลอดกาล แทนที่จะทำได้แค่ดักจับและย้ายขยะพิษ โรงงานประปาจะสามารถทำลายสารเคมีชั่วฟ้าดินดับลงได้อย่างสิ้นเชิง