Zat perfluoroalkyl dan polyfluoroalkyl, atau PFAS, mendapat julukan bahan kimia selamanya karena kemampuannya yang luar biasa untuk bertahan di lingkungan lama setelah digunakan.
Senyawa sintetis ini, yang biasa digunakan dalam produk konsumen dan aplikasi industri karena sifatnya yang tahan air dan lemak, kini ditemukan hampir di mana-mana di lingkungan.
Meskipun banyak bahan kimia akan terurai dengan relatif cepat setelah dibuang, PFAS dapat bertahan hingga 1.000 tahun. Daya tahan ini sangat bagus untuk digunakan dalam busa pemadam kebakaran, peralatan masak antilengket, pakaian tahan air, dan bahkan kemasan makanan.
Namun, ketahanannya berarti mereka bertahan di tanah, air, dan bahkan organisme hidup. Mereka dapat terakumulasi seiring berjalannya waktu dan mempengaruhi kesehatan ekosistem dan manusia.
Beberapa penelitian awal menunjukkan adanya hubungan potensial antara paparan PFAS dan berbagai masalah kesehatan – termasuk kanker, penekanan sistem kekebalan tubuh, dan gangguan hormon. Kekhawatiran ini mendorong para ilmuwan untuk mencari cara efektif untuk memecah bahan kimia yang membandel ini.
Kami adalah tim peneliti yang mengembangkan sistem kimia yang menggunakan cahaya untuk memecah ikatan antara atom karbon dan fluor. Ikatan kimia yang kuat ini membantu PFAS melawan degradasi. Kami menerbitkan karya ini di Nature pada bulan November 2024, dan kami berharap teknik ini dapat membantu mengatasi kontaminasi luas yang disebabkan oleh zat-zat ini.
Mengapa senyawa PFAS sangat sulit terurai
Senyawa PFAS memiliki ikatan karbon-fluor, yang merupakan salah satu ikatan kimia terkuat. Obligasi ini membuat PFAS sangat stabil. Mereka menolak proses degradasi yang biasanya menguraikan bahan kimia industri – termasuk hidrolisis, oksidasi, dan penguraian mikroba.
Metode pengolahan air konvensional dapat menghilangkan PFAS dari air, namun proses ini hanya memusatkan kontaminan dan bukan menghancurkannya. Bahan sarat PFAS yang dihasilkan biasanya dikirim ke tempat pembuangan sampah. Setelah dibuang, mereka masih dapat larut kembali ke lingkungan.
Metode yang ada saat ini untuk memutus ikatan karbon-fluor bergantung pada penggunaan logam dan suhu yang sangat tinggi. Misalnya, logam platina dapat digunakan untuk tujuan ini. Ketergantungan ini menjadikan metode ini mahal, boros energi, dan sulit digunakan dalam skala besar.
Cara kerja sistem fotokatalitik baru kami
Metode baru yang dikembangkan tim kami menggunakan fotokatalis organik murni. Fotokatalis adalah zat yang mempercepat reaksi kimia dengan menggunakan cahaya, tanpa dikonsumsi dalam proses tersebut. Sistem kami memanfaatkan energi dari LED biru murah untuk menggerakkan serangkaian reaksi kimia.
Setelah menyerap cahaya, fotokatalis mentransfer elektron ke molekul yang mengandung fluor, yang memecah ikatan karbon-fluor yang kuat.
Dengan secara langsung menargetkan dan membongkar struktur molekul PFAS, sistem fotokatalitik seperti milik kita memiliki potensi mineralisasi lengkap. Mineralisasi lengkap adalah proses yang mengubah bahan kimia berbahaya ini menjadi produk akhir yang tidak berbahaya, seperti hidrokarbon dan ion fluorida, yang mudah terurai di lingkungan. Produk yang terdegradasi kemudian dapat diserap kembali dengan aman oleh tanaman.
Bisakah kita membangun instalasi pengolahan PFAS yang lebih sederhana dan skalabel?
MediaNews Group/Orange County Daftar melalui Getty Images/MediaNews Group/Getty Images
Potensi penerapan dan manfaat
Salah satu aspek yang paling menjanjikan dari sistem fotokatalitik baru ini adalah kesederhanaannya. Pengaturannya pada dasarnya adalah sebuah botol kecil yang diterangi oleh dua LED, dengan dua kipas kecil ditambahkan untuk menjaganya tetap dingin selama proses berlangsung. Alat ini beroperasi dalam kondisi ringan dan tidak menggunakan logam apa pun, yang seringkali berbahaya untuk ditangani dan terkadang dapat meledak.
Ketergantungan sistem ini pada cahaya – yang merupakan sumber energi terbarukan dan tersedia – dapat menjadikan sistem ini layak secara ekonomi dan berkelanjutan. Saat kami menyempurnakannya, kami berharap suatu hari nanti dapat beroperasi dengan masukan energi minimal di luar energi yang menggerakkan lampu.
Platform ini juga dapat mengubah molekul organik lain yang mengandung ikatan karbon-fluor menjadi bahan kimia yang berharga. Misalnya, ribuan fluoroarena umumnya tersedia sebagai bahan kimia industri dan reagen laboratorium. Bahan-bahan ini dapat diubah menjadi bahan penyusun untuk pembuatan berbagai bahan lainnya, termasuk obat-obatan dan produk sehari-hari.
Tantangan dan arah masa depan
Meskipun sistem baru ini menunjukkan potensi, tantangannya masih ada. Saat ini, kami hanya dapat mendegradasi PFAS dalam skala kecil. Meskipun pengaturan eksperimental kami efektif, hal ini memerlukan peningkatan skala besar untuk mengatasi masalah PFAS pada tingkat yang lebih besar. Selain itu, molekul besar dengan ratusan ikatan karbon-fluor, seperti Teflon, tidak larut dalam pelarut yang kita gunakan untuk reaksi ini, bahkan pada suhu tinggi.
Akibatnya, sistem saat ini tidak dapat menguraikan materi tersebut, dan kami perlu melakukan penelitian lebih lanjut.
Kami juga ingin meningkatkan stabilitas jangka panjang katalis ini. Saat ini, fotokatalis organik ini terdegradasi seiring berjalannya waktu, terutama ketika berada di bawah pencahayaan LED yang konstan. Oleh karena itu, merancang katalis yang mempertahankan efisiensinya dalam jangka panjang sangatlah penting untuk penggunaan praktis dalam skala besar. Mengembangkan metode untuk meregenerasi atau mendaur ulang katalis ini tanpa kehilangan kinerja juga akan menjadi kunci untuk meningkatkan teknologi ini.
Bersama rekan-rekan kami di Pusat Katalisis Fotoredoks Berkelanjutan, kami berencana untuk terus mengerjakan katalisis yang digerakkan oleh cahaya, yang bertujuan untuk menemukan lebih banyak reaksi yang dipicu oleh cahaya yang memecahkan masalah-masalah praktis. SuPRCat adalah Pusat Inovasi Kimia nirlaba yang didanai National Science Foundation. Tim-tim di sana bekerja untuk mengembangkan reaksi untuk pembuatan bahan kimia yang lebih berkelanjutan.
Tujuan akhirnya adalah menciptakan sistem yang dapat menghilangkan kontaminan PFAS dari air minum di pabrik pemurnian, namun hal tersebut masih jauh dari tujuan. Kami juga ingin suatu hari nanti menggunakan teknologi ini untuk membersihkan tanah yang terkontaminasi PFAS, menjadikannya aman untuk pertanian dan memulihkan perannya terhadap lingkungan.
Artikel ini awalnya diterbitkan di The Conversation oleh Arindam Sau di University of Colorado Boulder dan Mihai Popescu dan Xin Liu di Colorado State University. Baca artikel aslinya di sini.