De Chemours-fabriek in Dordracht loosde decennialang PFAS in het water en in de lucht. Foto Shutterstock Met de ontwikkeling van een PFAS-filter zetten organische chemici van WUR een forse stap om de schadelijke stof uit het milieu te halen.
Is het serendipiteit, de toevallige vondst van iets waar je niet eens naar op zoek bent, of is het ontwerp, het product van slim en beredeneerd experimenteren? Hoogleraar organische chemie Han Zuilhof houdt het in het midden. ‘Zowel het een als het ander zou te zwart-wit zijn. Je bedenkt wat en uit proeven komt iets anders dan wat je verwacht. Op basis van een mogelijke verklaring experimenteer je verder. De een verzint dit, de ander dat en samen bouw je het verhaal op.’
Een enkele filtratie volstaat om de concentratie PFAS in ernstig verontreinigd water tot een miljoenste terug te brengen
Han Zuilhof en zijn team ontwikkelden een filter dat ernstig met PFAS (zie kader) verontreinigd water in een eenvoudige stap vrijwel volledig schoonmaakt. Zo schoon dat het aan de kwaliteitsnormen van drinkwater voldoet. Het filter kan bovendien talloze malen worden hergebruikt.
Cholera
Het begon allemaal met cholera, legt Zuilhof uit. ‘Cholera-toxine, het eiwit dat cholera veroorzaakt, heeft een vijfvoudige symmetrie, met erbovenop een tweede eiwit dat zorgt voor de toxiciteit. Die vijf bindingsplekken zorgen voor de hechting aan cellen. In 2016 hebben wij de eerste stappen gezet om zelf zoiets te maken met pillar-arenen, een klasse van grote ringvormige macromoleculen. Pillar-arenen bestaan uit vijf aan elkaar geschakelde moleculen benzeen, die samen een soort pilaartje vormen. We hebben een chemisch proces ontwikkeld om die ringen te functionaliseren, dus er aan beide kanten moleculen aan te hechten.’
PFAS was op dat moment nog helemaal niet in beeld. ‘Dat veranderde toen we erover nadachten wat we aan die ringen wilden vastzetten’, vertelt Zuilhof. ‘Het is relatief makkelijk om er een positief geladen molecuul aan te hechten. Karakteristiek voor deze klasse van arenen is dat die ‘staarten’ met hun positieve ladingen aan het einde, allemaal dezelfde kant uitwijzen: min of meer parallel en van de ring af.’ (Zie illustratie.) Die wolk aan positieve ladingen boven en onder de ring trekken als een soort grijpers negatieve ladingen aan. Octaanzuur bijvoorbeeld, het niet gefluorideerde ‘broertje’ van PFAS.
Octaanzuur hechtte zoals verwacht. Maar het werd pas echt ‘spannend’, zegt Zuilhof, toen door promovendus Tu-Nan Gao de stap naar PFAS werd gezet. PFAS bleek onverwacht sterk te hechten: alsof de grijpers ervoor waren gemaakt. ‘De binding is veel sterker dan bij enige andere stof die gefluorideerde verbindingen als PFAS bindt. Tegelijkertijd is die binding veel sterker dan met alle andere stoffen die in verontreinigd water zitten. Zelfs als die andere stoffen in duizend maal hogere concentratie aanwezig zijn. Die andere stoffen binden ook wel wat, maar worden vervolgens verdrongen.’
Fluor
Dat het macromolecuul zo selectief PFAS bindt, komt door de fluoratomen in de koolstofketen van de grijpers, weet Zuilhof inmiddels. ‘Die gefluorideerde ketens liggen precies tegen elkaar aan. Dat maakt dat de interactie (de zogeheten Van-der-Waals-krachten, red.) tussen de fluorketens maximaal is. Ze vormen een soort fluorwolk die bijdraagt aan de sterkte van de PFAS-binding.’ Dat die extra bijdrage aan de bindingskracht juist met fluor maximaal is, komt doordat fluor precies de goede afmeting heeft. Dat opent de weg naar een belangrijke toepassing als PFAS-filter.
Zo’n filter ontstaat door het pilaarvormige macromolecuul met één kant aan een vaste ondergrond te hechten. De andere kant van het pilaartje grijpt PFAS uit verontreinigd water dat over het filter wordt geleid. Uit proeven blijkt dat één enkele filtratie volstaat om de concentratie PFAS in ernstig verontreinigd water tot een miljoenste terug te brengen. Die stap duurt minder dan vijf minuten. Spoelen met alcohol levert vervolgens een schoon filter op, dat talloze malen kan worden hergebruikt.
Blijft de vraag wat je met dat PFAS doet. Ook daar hebben Zuilhof en zijn mensen wat op gevonden. Een manier om de stof te vernietigen is in de maak. Meer kan hij er op dit moment nog niet over zeggen. Het onderzoek is daarmee overigens nog niet afgerond. PFAS is een verzamelterm voor duizenden verbindingen. Het PFAS-filter van Zuilhof vist twee belangrijke stoffen (PFOA en PFOS) uit het water. Zuilhof: ‘De vraag is of we het filter zo aan kunnen passen dat ook andere PFAS-verbindingen worden gepakt. Daar zijn we hard mee bezig. Daarnaast zijn er ook verbindingen die in plaats van fluor andere halogenen bevatten. Te denken valt aan verbindingen met broom, die worden gebruikt in brandwerende materialen. Met broom in de keten zou het zo maar ook kunnen werken.’
Zuilhof kijkt met trots naar het onderzoek, dat onlangs werd gepubliceerd. ‘Mijn collega Huub Rijnaarts zei eens dat er twee grote problemen zijn met ons water. We hebben te veel of te weinig en we hebben PFAS. Aan de hoeveelheid kan ik niks veranderen, aan PFAS wel. Dat triggert mij. Aan het oplossen van vervuiling met PFAS kan ik met ons onderzoek een significante bijdrage leveren. Dat is echte science for impact. Leuk toch.’
PFAS
PFAS staat voor Poly-Fluor-Alkyl-Stoffen, een groep koolwaterstoffen die veel fluor bevat. Ze komen in de natuur niet voor. Bekende voorbeelden zijn PFOA (perfluoroctaanzuur, gebruikt in de bereiding van teflon) en PFOS (perfluoroctaansulfonaat, gebruikt in de textielindustrie als water- en vlekwerend middel). PFAS is schadelijk voor mens en milieu en breekt niet of nauwelijks af.
Patent
De groep van hoogleraar Han Zuilhof heeft patent genomen op de door hen ontwikkelde methode om PFAS uit oplossing te filteren. Wetsus, het kenniscentrum voor duurzame watertechnologie, gaat het patent verder vermarkten. In ruil daarvoor werkt een promovendus bij de groep van Zuilhof aan verder onderzoek naar de zuivering van verontreiniging met PFAS.
