PFAS thường chỉ được xem là rác độc cần tiêu hủy: Công nghệ mới muốn “đào” fluorine có giá trị trở lại từ chính chất thải

PFAS thường xuất hiện ở cuối vòng đời như một bài toán xử lý chất thải: làm sao phá được những liên kết carbon–fluorine cực bền để chúng không tiếp tục tồn tại trong môi trường. Một nhóm tại Georg-August-Universität Göttingen đang đặt thêm một câu hỏi khác: nếu đã tốn năng lượng để bẻ những liên kết đó, liệu phần fluorine có thể được lấy lại và dùng ngay để tạo hóa chất mới hay không?

Trong nghiên cứu công bố trên Nature Communications tháng 3/2026, Hao Long, Georgina Kirby và Lutz Ackermann trình bày một quy trình cơ hóa học một nồi có thể lấy fluorine từ nhiều loại PFAS và chuyển nó trực tiếp sang các phân tử hữu cơ. Thay vì dừng ở bước “phá hủy PFAS rồi thu fluoride”, quy trình ghép luôn hai việc: khử fluorine khỏi chất thải và dùng fluoride vừa sinh ra cho phản ứng fluor hóa tiếp theo.

Điểm đáng chú ý nhất không phải PFAS cuối cùng biến mất hoàn toàn khỏi một dòng nước ô nhiễm. Nghiên cứu không chứng minh điều đó. Điều mới nằm ở cách nhìn PFAS như một kho fluorine thứ cấp: một nguồn nguyên tử fluorine đã được khai thác, tinh chế và đưa vào vật liệu, nhưng thường bị bỏ đi cùng chất thải khi sản phẩm hết vòng đời.

Thứ khiến PFAS khó tiêu hủy cũng là thứ làm chúng có giá trị

PFAS là một họ hóa chất rất rộng, nhưng điểm chung của nhiều thành viên là số lượng lớn liên kết C–F. Liên kết này giúp vật liệu chịu nhiệt, chống hóa chất, giảm ma sát và chống thấm, vì vậy fluoropolymer như PTFE và PVDF xuất hiện trong màng lọc, ống dẫn, dây điện, thiết bị điện tử và nhiều ứng dụng công nghiệp.

Nhưng cùng độ bền đó khiến chúng khó phân hủy. Nhiều chiến lược xử lý PFAS tập trung vào việc bẻ liên kết C–F bằng quang hóa, điện hóa, chất khử hoặc nhiệt độ cao. Sau khi phá được PFAS, fluorine thường kết thúc ở dạng fluoride hoặc các sản phẩm vô cơ khác và câu chuyện xử lý về cơ bản dừng tại đó.

Đây là điểm nhóm Göttingen muốn thay đổi. Fluorine không phải thành phần vô dụng. Công nghiệp fluorochemical vẫn cần nguồn fluorine để sản xuất dược phẩm, vật liệu, hóa chất chuyên dụng và nhiều hợp chất fluor hóa khác. Nguồn thương mại truyền thống chủ yếu bắt đầu từ fluorspar hay fluorite, khoáng vật CaF₂ được khai thác rồi chuyển qua các bước hóa học tiếp theo.

Vì thế, về nguyên tắc, PFAS thải bỏ chứa một lượng fluorine đã nằm sẵn trong nền kinh tế. Nếu thu lại được mà không tạo ra một quy trình còn tốn kém hơn khai thác nguyên liệu mới, chất thải này có thể trở thành một phần của vòng tuần hoàn fluorine thay vì chỉ là thứ cần vô hiệu hóa.

Ball mill làm việc mà dung môi khó làm

Phương pháp của nhóm nghiên cứu dựa trên mechanochemistry — cơ hóa học. Thay vì hòa tan các chất rồi gia nhiệt trong bình phản ứng, họ cho PFAS cùng potassium tert-butoxide (tBuOK), một base mạnh, vào cối nghiền bi. Chuyển động va đập của viên bi truyền năng lượng cơ học trực tiếp vào hỗn hợp rắn.

Điều này đặc biệt hữu ích với fluoropolymer vì các vật liệu như PVDF hay PTFE vốn rất khó hòa tan. Trong thí nghiệm tối ưu với PVDF, hỗn hợp được nghiền ở 30 Hz trong 100 phút. Sau giai đoạn này, nhóm thêm một sulfonyl chloride vào cùng cối rồi tiếp tục nghiền thêm 100 phút. Fluoride được giải phóng từ polymer có thể tham gia ngay vào phản ứng tiếp theo, tạo sulfonyl fluoride.

Với chất nền mẫu tosyl chloride, sản phẩm tosyl fluoride (TsF) đạt hiệu suất cô lập 95% trong điều kiện tối ưu. Nhóm nghiên cứu gọi đây là quy trình “single-pot” vì fluorine được lấy khỏi PFAS rồi chuyển sang sản phẩm mới trong cùng hệ phản ứng, không cần tách và tinh chế một muối fluoride thành nguyên liệu trung gian trước.

Sự khác biệt này có ý nghĩa thực dụng. Một số hướng tái chế fluorine trước đó đã chứng minh rằng có thể phá fluoropolymer rồi cô lập KF hoặc các thuốc thử fluor hóa. Quy trình mới cố loại bỏ một phần các bước trung gian đó: sau cơ hóa học, nhóm chỉ dùng lượng dung môi tương đối nhỏ để lọc hỗn hợp và thu sản phẩm.

Không chỉ PVDF tinh khiết

Nhóm thử phương pháp trên nhiều loại PFAS khác nhau. Các fluoropolymer gồm PVDF với nhiều khối lượng phân tử, copolymer PVDF–HFP, vật liệu piezoelectric chứa PVDF, ETFE, FEP và PTFE. Với PTFE — một trong những fluoropolymer trơ nhất — phản ứng vẫn tạo được sản phẩm fluor hóa mục tiêu với hiệu suất 88% trong điều kiện được điều chỉnh.

Các PFAS phân tử nhỏ hơn như perfluorinated carboxylic acid, sulfonyl fluoride, fluorinated alcohol, olefin và perfluorooctane cũng tham gia được, dù hiệu suất sản phẩm trải rộng hơn, khoảng 51–77% trong các thử nghiệm được báo cáo.

Quan trọng hơn cho câu chuyện chất thải, nhóm không chỉ dùng polymer phòng thí nghiệm. Họ thử màng lọc, vật liệu cảm biến, thanh PVDF, ống truyền dịch và các loại ống nhựa fluor hóa đã qua sử dụng. Một dòng chất thải hỗn hợp gồm 1 gram vật liệu nguồn PVDF cho 940 mg TsF, tương ứng hiệu suất 90% theo cách tính của nghiên cứu.

Ở bước scale-up, nhóm nâng lượng PVDF lên mức 10 gram bằng hai cối nghiền chạy song song. Phản ứng vẫn tạo sản phẩm với hiệu suất và độ tinh khiết cao mà không cần sắc ký cột. Đây là bằng chứng quan trọng hơn một phản ứng vài chục milligram, nhưng 10 gram vẫn còn rất xa quy mô xử lý chất thải công nghiệp.

“Thu hồi fluorine” không có nghĩa là lấy ra khí fluorine

Có một phân biệt hóa học cần giữ rõ. Nghiên cứu nói về việc thu hồi hàm lượng fluorine trong PFAS, nhưng sản phẩm trung gian trực tiếp là fluoride, F⁻, chứ không phải khí fluorine F₂. Sau đó fluoride được dùng để tạo liên kết mới trong các sulfonyl fluoride.

Trong một thử nghiệm nhằm đo riêng mức độ khử fluorine, nhóm tối ưu điều kiện nghiền PVDF và báo cáo hiệu suất fluoride tới 93%. Với PTFE, cơ chế khó hơn nhiều vì polymer này không có hydrogen để đi theo con đường loại HF giống PVDF. Tác giả cho rằng các con đường radical hoặc cơ chế đứt mạch khác có thể tham gia, nhưng nhấn mạnh rằng cơ chế đối với PTFE chưa được giải quyết hoàn toàn.

Đây là một điểm quan trọng: hiệu suất tạo sản phẩm fluor hóa cao không đồng nghĩa mọi nguyên tử fluorine trong mọi loại PFAS đều đã được thu hồi. Mỗi polymer có hóa học khác nhau, và mức độ defluorination phải được đo riêng.

Giá trị thật nằm ở vòng tuần hoàn, không chỉ ở việc phá PFAS

Các sulfonyl fluoride mà nhóm tạo ra là những “hub” hữu ích cho hóa học SuFEx, một nhánh của click chemistry. Nhóm tiếp tục chứng minh TsF thu từ fluorine của PFAS có thể tham gia các phản ứng với nhiều phân tử khác, trong đó có dẫn xuất từ melatonin, quinidine, vitamin E và diosgenin.

Điều này chứng minh phần fluorine lấy từ chất thải không chỉ tồn tại dưới dạng một muối cần xử lý tiếp. Nó thực sự có thể quay trở lại chuỗi tổng hợp hóa học và tạo liên kết mới.

Ý tưởng này nối tiếp một hướng nghiên cứu đang phát triển nhanh. Năm 2025, một nhóm tại University of Oxford và Colorado State University đã báo cáo trên Nature rằng ball milling PFAS với potassium phosphate có thể giải phóng gần như định lượng fluorine từ PTFE dưới dạng fluoride và fluorophosphate, sau đó biến chúng thành các thuốc thử fluor hóa. Nghiên cứu năm 2026 đi thêm một bước bằng cách cố gộp khâu giải phóng và tái sử dụng fluorine vào cùng một quy trình.

Từ 10 gram tới núi chất thải PFAS còn một khoảng rất lớn

Những con số trong paper chưa đủ để kết luận đây là một công nghệ xử lý PFAS thương mại. Phần lớn thử nghiệm sử dụng vật liệu fluoropolymer tương đối cô đặc — chính xác là loại chất thải phù hợp nhất với ý tưởng “khai thác” fluorine. Bài toán nước ngầm chứa PFAS ở nồng độ cực thấp hoàn toàn khác: trước tiên phải thu gom và cô đặc chất ô nhiễm trước khi một quy trình cơ hóa học như thế này có ý nghĩa.

Quy trình cũng sử dụng tBuOK, một base mạnh, và cần máy nghiền bi vận hành hàng giờ. Bước thu sản phẩm vẫn dùng chloroform để rửa và lọc. Nghiên cứu chưa đưa ra phân tích vòng đời đầy đủ, chi phí trên mỗi kilogram chất thải, năng lượng tiêu thụ khi scale lớn hay so sánh kinh tế với việc sản xuất fluorochemical từ fluorspar.

Cũng chưa rõ hệ thống sẽ xử lý thế nào với dòng chất thải công nghiệp lẫn nhiều chất độn, kim loại, phụ gia hoặc polymer không fluor hóa. Những tạp chất đó có thể thay đổi cơ học nghiền, phản ứng của base và độ tinh khiết sản phẩm.

Vì thế, đóng góp quan trọng của nghiên cứu hiện tại không phải lời hứa rằng PFAS sẽ trở thành một “mỏ fluorine” thương mại ngay lập tức. Nó chứng minh một nguyên tắc có giá trị hơn: phá hủy PFAS và tái sử dụng fluorine không nhất thiết phải là hai bài toán tách rời. Nếu các quy trình tương lai có thể làm điều đó ở quy mô lớn với cân bằng năng lượng, hóa chất và chi phí hợp lý, chất thải fluoropolymer có thể trở thành một nguồn nguyên liệu thứ cấp thay vì chỉ là thứ phải đem đi tiêu hủy.

Nguồn

• Hao Long, Georgina Kirby & Lutz Ackermann, “Single-pot mechanochemically-enabled fluorine atom closed-loop economy using PFASs as fluorinating agents”, Nature Communications, 2026.
• Long Yang và cộng sự, “Phosphate-enabled mechanochemical PFAS destruction for fluoride reuse”, Nature, 2025.
• U.S. Geological Survey, Mineral Commodity Summaries 2026 — Fluorspar.