لماذا يصعب استبدال PFASs؟

الفلور، وهو أحد أصغر ذرات العناصر الموجودة في الجدول الدوري، يضفي خصائص مثيرة للإعجاب على عشرات الآلاف من المنتجات. إن إضافة ذرة من الفلور إلى جزيء الدواء يمكن أن يجعله أكثر فعالية عن طريق إبطاء تحلله في الجسم. إن الإلكتروليتات المستخدمة لنقل الأيونات عبر بطاريات الليثيوم أيون هي مواد تحتوي على الفلور. غالبًا ما تحتوي المبردات المستخدمة في الحفاظ على الطعام طازجًا والأدوية آمنة وتبريد المباني على الفلور، كما هو الحال مع الوقود الدافع المستخدم لإطلاق الغازات في أجهزة استنشاق الربو وطفايات الحريق. يعد الفلور أيضًا مكونًا رئيسيًا في البوليمرات المستقرة المستخدمة في طلاء أواني الطهي غير اللاصقة والمواد المقاومة للماء.

مؤشر الطبيعة 2026 الكيمياء

لكن قدرة الفلور على إضافة الاستقرار لها إرث خطير: “المواد الكيميائية إلى الأبد”، أو المواد المتعددة الفلورو ألكيل (PFASs)، التي تسللت إلى كل شبر من الأرض، من حليب الثدي إلى المرتفعات الثلجية لجبل إيفرست. بعض المواد الأكثر إشكالية التي تم استخدامها في أواني الطبخ غير اللاصقة والطلاءات المقاومة للماء، بالإضافة إلى التطبيقات الأخرى، تعتبر سامة للإنسان، وتعطل الهرمونات وتسبب مشاكل لأجزاء من الجسم مثل الكبد والغدة الدرقية.

يعتمد إدخال الفلور في المنتجات أيضًا على عملية خطيرة ومستهلكة للطاقة، حيث يتم أخذ معدن الفلوريت – المعروف تجاريًا باسم الفلورسبار والذي يحمل الاسم الكيميائي فلوريد الكالسيوم – وتسخينه باستخدام حمض الكبريتيك المركز لصنع فلوريد الهيدروجين (HF): وهو غاز سام شديد التآكل ويشكل حمض الهيدروفلوريك عندما يذوب في الماء. وهذا يسمح للفلور المحبوس في المعدن بأن يصبح متفاعلاً. تقول فيرونيك جوفيرنور، الكيميائية في جامعة أكسفورد بالمملكة المتحدة: “أرى أن فلوريد فلوريد الهيدروجين ربما يكون واحدًا من أخطر المواد الكيميائية التي ننتجها على هذا الكوكب”.

إن لغز الموازنة بين فائدة الفلور الهائلة ومخاطر عزله واستخدامه هو أمر تصارع الكيميائيون معه لعدة قرون. لكن الانتشار الهائل للمواد الكيميائية المملوءة بالفلور، والإدراك المتزايد لذلك العديد من المركبات لها آثار سيئة دائمة على البيئة وصحة الإنسان، يحفز موجة من المشاريع البحثية لاستكشاف بدائل للعمليات والمنتجات الحالية.

الأرض إلى أعلى

يريد جوفيرنور معالجة المشكلات المتعلقة بكيمياء الفلوريت في بداية العملية: حتى قبل معالجة الفلوريت. وتقول: “فلوريد الكالسيوم غير قابل للذوبان في الماء أو المذيبات العضوية، لذلك من الصعب جدًا إجراء الكيمياء مباشرة باستخدام فلوريد الكالسيوم”. ومع ذلك، في عام 2023، توصل الكيميائيون في مختبرها إلى طريقة لإطلاق الفلور من الفلورسبار دون الحاجة إلى إنتاج فلوريد الهيدروجين: وذلك باستخدام القوة الفيزيائية.¹. يؤدي طحن الفلورسبار وملح فوسفات البوتاسيوم معًا إلى حدوث احتكاك، مما يوفر الطاقة اللازمة لإحداث التفاعل. يتم تسويق هذا النهج في الكيمياء الميكانيكية من خلال شركة ناشئة تدعى فلوروك، ومقرها في أكسفورد، وشارك في تأسيسها جوفيرنور. يقول جوفيرنور: “إنها حقًا نقلة نوعية، لأنني الآن أستطيع تحضير ليبيتور (دواء شائع الاستخدام لخفض الكولسترول يحتوي على الفلور) في مختبري، من خلال احتجاز كتلة من الفلورسبار”.

استخدمت مجموعتها أيضًا النهج الميكانيكي لتفكيك PFASs واستعادة المواد الخام القيمة. ومن خلال طحن PFASs مع أملاح فوسفات البوتاسيوم، تمكنوا من إنتاج فلوريد البوتاسيوم (KF) وثنائي بوتاسيوم أحادي فلوروفوسفات (K).₂ص₃F) أملاح الفلورايد التي يشيع استخدامها في صناعة المواد الكيميائية².

يوضح غابرييل بوبو، الرئيس التنفيذي والمؤسس المشارك لشركة فلوروك، أن العامل الرئيسي الذي يحدد النجاح المبكر للشركة سيكون ما إذا كان يستطيع إقناع الناس بأن تقنيتها يمكن أن تقدم طريقًا بديلاً. ويقول: “لا يزال الجميع متمسكين بفكرة أن هناك طريقًا واحدًا فقط لصنع هذه المواد: من خلال التردد العالي”. يقول بوبو إن الاستغناء عن الحاجة إلى استخدام غاز خطير مثل فلوريد الهيدروجين ليس أكثر أمانًا فحسب، بل أرخص أيضًا. ويقول: “في كل مرة يتعين عليك التعامل مع شيء شديد التآكل، وشديد السمية، ويصعب التعامل معه للغاية”. “عمليتنا أقل تكلفة بكثير مقارنة بمعايير الصناعة.”

ويحاول باحثون آخرون جعل كيمياء الفلور عملية دائرية، حيث يمكن تحويل البوليمرات الفلورية المنتهية الصلاحية أو غيرها من المواد الكيميائية المفلورة مرة أخرى إلى المواد الأولية المفيدة التي تم تصنيعها منها في المقام الأول.

ابتكر مارك كريمين، عالم الكيمياء العضوية المعدنية في إمبريال كوليدج لندن، طريقة لجعل كيمياء الفلور دائرية عن طريق الصدفة تقريبًا. ويقول: “لقد انتهى بنا الأمر إلى اكتشاف بعض التفاعلات التي تحطم روابط الكربون والفلور في الجزيئات”.³. وكانت الخطوة التالية هي معرفة ما يمكن تطبيق تفاعلاتهم على كسر الروابط.

أدى تطوير كريمين إلى كيمياء يمكنها تعديل المواد الكيميائية الفلورية الموجودة بحيث يمكن استخدامها في تركيبات جديدة أخرى. الأول هو ما يسميه كريمين عملية “فلورة النقل”، والتي تعالج مركبات الهيدروفلوروكربون المستخدمة على نطاق واسع في مجال التبريد (HFCs) بقاعدة البوتاسيوم (بدلاً من الحمض القوي المستخدم في عمليات الفلوريت إلى HF) وتنتج فلوريد البوتاسيوم، وهو مادة أولية مفيدة للكثير من المواد الكيميائية الأخرى للفلور.⁴. في الوقت الحالي، هذه العملية ليست دائرية بالكامل، كما يوضح كريمين، “نظرًا لأن المواد الكيميائية الفلورية مستقرة جدًا، يتعين عليك دفع تكلفة الطاقة من أجل تفكيكها”.

يتضمن النهج الثاني لكريمين، والذي يسميه “مكوك التردد العالي”، أخذ ذرة هيدروجين وفلور من جزيء واحد – في هذه الحالة، نفايات فلوريد البولي فينيلدين (PVDF) – وبمساعدة محفز، يتم نقل تلك الذرات إلى جزيء مختلف، لإنشاء فلورو ألكين، وهو نوع من الجزيء يستخدم لصنع المواد الكيميائية الزراعية والمستحضرات الصيدلانية والعديد من المواد الكيميائية الفلورية الأخرى.⁵. يُستخدم PVDF كطلاء في بطاريات الليثيوم أيون، وتعمل Crimmin مع شركة لاستعادة البطاريات لإعادة تدوير PVDF من البطاريات المستهلكة وإعادة تدوير محتوى الفلور دون الحاجة إلى إعادة تشكيل الفلوريت.

وبطبيعة الحال، فإن نقل مثل هذه العمليات إلى ما هو أبعد من المختبر، من التعامل مع مواد بوزن عشرات الجرامات إلى الأطنان، ليس بالأمر السهل على الإطلاق. يقول كريمين إن أحد العوائق يتمثل في أنظمة العالم الحقيقي. ويقول: “إن وضع أيدينا على مجاري النفايات الحقيقية يمثل تحديًا مستمرًا”. “أحد التحديات العامة التي تواجهها المختبرات الأكاديمية هو أننا نتعامل مع المواد الأصلية” في حين أن مواد النفايات الفعلية من المحتمل أن تحتوي على شوائب أو خليط من المواد الكيميائية الفلورية.

تعمل كريمين مع شركة A-Gas، وهي شركة دولية مقرها بالقرب من مدينة بريستول بالمملكة المتحدة، تقوم بتصنيع وإدارة المبردات. لدى A-Gas فرق تعمل على استعادة المبردات المستهلكة من الأماكن الصناعية والتجارية قبل تنقيتها لبيعها مرة أخرى إلى السوق. تجري كريمين مناقشات مع الشركة للحصول على نفايات المبردات قبل إعادة استخدامها. ويقول: «نحن مهتمون بالبديل، وهو أخذ منتجات النفايات تلك ثم تحويلها إلى مواد كيميائية أخرى تحتوي على الفلورايد».

نقطة التحول

ومع ظهور مثل هذا العمل الواعد في كيمياء الفلور من المختبرات، فإن السؤال الرئيسي هو كيف يمكن إقناع الصناعة واسعة النطاق باستثمار المزيد من الوقت والمال في تحويل الابتكارات الناشئة إلى حلول تغير قواعد اللعبة.

إن التنظيم القوي للصناعة الكيميائية يمكن أن يؤدي إلى التغيير، حيث تشكل الجهود المبذولة لمعالجة الثقب في طبقة الأوزون مثالاً رئيسياً لقصة النجاح. حظر بروتوكول مونتريال، الذي تم التوقيع عليه في عام 1987، العديد من مركبات الكلوروفلوروكربون المستنفدة لطبقة الأوزون، والتي كانت تستخدم على نطاق واسع قبل ذلك الوقت كمبردات ومواد دافعة. وتم تحديثه لاحقًا في عام 2007 للتخلص التدريجي من مركبات الكربون الهيدروكلورية فلورية (HCFCs)، والتي كانت تستخدم في البداية كبديل لمركبات الكربون الكلورية فلورية. ومنذ أن تم إدخال هذه التدابير، لقد تقلص ثقب الأوزون، ولكن أحد التأثيرات غير المباشرة هو أن المبردات البديلة لمركبات الكربون الهيدروفلورية هي غازات دفيئة قوية. تمت إضافة مركبات الكربون الهيدروفلورية إلى البروتوكول في عام 2016 بهدف تقليلها بنسبة 80-85% بحلول أواخر أربعينيات القرن الحادي والعشرين.

تختلف اللوائح المحددة المصممة لتقييد PFASs بين المناطق. إن الأنواع الأكثر إثارة للقلق من PFAS، وحمض البيرفلوروكتانويك (PFOA) وسلفونات البيرفلوروكتان (PFOS)، والتي تم استخدامها في الطلاءات غير اللاصقة والمواد المقاومة للحرارة، محظورة بالفعل أو مقيدة بشدة في أوروبا والولايات المتحدة بسبب ثباتها في البيئة، وصلتها بالسرطان وغيرها من المخاوف الصحية، وأثرها. تلوث مياه الشرب. في كندا، أدت المخاوف من أن تحل مواد PFAS البديلة وغير المقيدة محل المواد المحظورة إلى اقتراح بأن يتم استبدال جميع PFASs تصنف على أنها مواد كيميائية خاضعة للرقابة.

بالنسبة للصناعة، فرضت لوائح PFAS بعض التغييرات، على الرغم من أن التصور العام بأن PFASs كارثية بيئيًا أصبح له الآن تأثير أيضًا على الحد من استخدامها، كما يقول شبابا سليم، كبير محللي التكنولوجيا في IDTechEx، وهي شركة استشارية بحثية في كامبريدج، المملكة المتحدة.

يبدو أن الجهود القائمة على الصناعة للتعامل مع المخاطر التي تشكلها كيمياء الفلور تتزايد استجابة للقلق العام المتزايد والقضايا القانونية حول تأثير PFASs. حتى الآن، قامت الشركات الكيميائية بتسوية دعاوى قضائية تصل قيمتها إلى ملايين الدولارات بسبب مشاكل بيئية وصحية مرتبطة بالتعرض التاريخي لـ PFASs.