Гидрофторолефины (HFOS), которые быстро вступают в реакцию в нижних слоях атмосферы, стали ведущим синтетическим химическим веществом для хладагентов и считаются более экологически чистой альтернативой своим химическим предшественникам.

Хотя известно, что HFOS разлагаются на химические вещества, такие как трифторацетальдегид, ведутся постоянные дискуссии о том, распадается ли это соединение в дальнейшем на фтороформ - наиболее вредный для окружающей среды гидрофторуглерод (HFC), для замены которого они использовались.

Статья, возглавляемая доктором Кристофером Хансеном из UNSW Chemistry и опубликованная в журнале Американского химического общества, продемонстрировала, что HFOS действительно распадаются на небольшое количество фтороформа. Это новое исследование предполагает, что нам необходимо более внимательно изучить воздействие HFOS на окружающую среду, что поднимает вопросы об их долгосрочной безопасности.

"На данный момент мы не до конца понимаем воздействие HFOS на окружающую среду", - говорит доктор Хансен. "Но, в отличие от предыдущих примеров, таких как ХФУ и этилированный бензин, мы пытаемся выяснить последствия крупномасштабных выбросов до того, как мы нанесем потенциально необратимый вред окружающей среде и здоровью человека. Мы пытаемся изменить то, как наука представляет новые продукты".

История до сих пор

Дыра в озоновом слое является результатом деятельности человека, в результате которой выделились озоноразрушающие химические вещества, включая хлорфторуглероды (ХФУ) - одни из первых синтетических химических веществ, используемых в качестве хладагентов и в аэрозольных баллончиках.

Благодаря Монреальскому протоколу общество начало постепенно отказываться от них на международном уровне, и они были в значительной степени заменены ГФУ, которые использовались в глобальном масштабе с середины 90-х годов.

Хотя ГФУ не вызывают никакого разрушения озонового слоя, они оказались мощными парниковыми газами. "В конце концов, ученые обнаружили, что 1 кг фтороформа - некогда широко используемого ГФУ - выбрасываемый сегодня будет способствовать нагреву поверхности планеты в течение следующего столетия в такой же степени, как более 14 000 кг углекислого газа", - говорит доктор Хансен.

После осознания чрезвычайного потенциала ГФУ в области парникового эффекта в 2016 году начался их глобальный поэтапный отказ.

ГФУ, которые имеют более короткий срок службы в атмосфере, в настоящее время являются ведущими синтетическими заменителями и быстро распространяются в качестве хладагентов, пенообразователей - таких, которые используются в изоляционной пене, - и аэрозольных пропеллентов.

Хотя ученым известна некоторая информация о химических путях разложения HFO, ведутся давние дебаты о том, действительно ли они распадаются на некоторые из наиболее неблагоприятных для окружающей среды ГФУ.

Эксперименты, имитирующие атмосферу

HFO состоят из химических соединений, которые более реакционноспособны, чем их предыдущие аналоги, поэтому они не поднимаются в верхние слои атмосферы и не становятся долгоживущими парниковыми газами.

"Но как химики, мы смотрим на структуры этих молекул и начинаем пытаться представить, во что они превращаются", - говорит доктор Хансен. "Поэтому вместо того, чтобы просто сказать: "О, срок службы этой штуки всего две недели, это не может быть парниковым газом, мы должны посмотреть, во что он превратился".

"И большинство химиков посмотрят на эти структуры, и они смогут провести реакции, которые на самом деле приводят к образованию ГФУ".

Но подтверждение того, распадаются ли ГФО на ГФУ с низким выходом, требует сложных экспериментов, и большинству существующих методов и приборов не хватает чувствительности и специфичности для этого.

Доктор Хансен и его команда использовали множество методов, включая два, изобретенных специально для этого исследования, для измерения и оценки химической реакции во всем диапазоне ожидаемых атмосферных давлений.

"Мы использовали различные спектроскопические методы для наблюдения за реакцией. И мы приготовили газовую смесь при различных давлениях, чтобы смоделировать атмосферу, загрязненную незначительным количеством непосредственного продукта разложения HFO. Затем мы использовали лазер для имитации фотонов, которые в противном случае исходили бы от солнца, чтобы запустить реакцию", - говорит доктор Хансен.

Новые данные для климатических моделей

Мы знаем, что HFOS разлагаются на фторированные карбонилы, такие как трифторацетальдегид, с выходом до 100% или более. Это означает, что все молекулы HFO превращаются в первый продукт, и для некоторых HFO вы можете получить две молекулы этого продукта на каждую молекулу HFO, которая распадается. Это исследование показывает, что на следующей стадии реакции, управляемой светом, образуется небольшое количество фтороформа в результате разложения трифторацетальдегида. Фтороформ - это ГФУ с наибольшим потенциалом глобального потепления.

"Мы всесторонне продемонстрировали, что некоторые из наиболее важных ГФУ действительно распадаются на ГФУ, и предоставили первые достоверные научные данные, необходимые для моделирования и прогнозирования последствий крупномасштабных выбросов", - говорит д-р Хансен. "Хотя в результате реакции образуется лишь небольшое количество фтороформа, химическое вещество может существовать в атмосфере до 200 лет, и при потенциале глобального потепления, более чем в 14000 раз превышающем _CO2, небольшой выход все равно может оказать значительное влияние".

Многие атмосферные кризисы застали нас врасплох. "Подумайте о этилированном бензине, смертельном смоге 20-го века, кризисе с озоновой дырой", - объясняет доктор Хансен. "Но это произошло не потому, что наши модели были недостаточно хороши, а скорее потому, что в моделях отсутствовала важная химия", - говорит он.

Теперь это исследование разрешает давние споры и предоставляет достоверные научные данные, необходимые для моделирования и прогнозирования последствий крупномасштабных выбросов HFOS, прежде чем директивным органам, возможно, потребуется отреагировать на возникающий экологический кризис.

Группы по моделированию климата в UNSW, а также ученые по всему миру теперь готовы ввести эти данные в модели, чтобы помочь определить воздействие продолжения использования HFOS на окружающую среду.

"Хотя вопросы остаются, в этом документе представлены важнейшие доказательства, которые должны послужить основой для следующих шагов по устранению воздействия химических веществ, которые мы выбрасываем в атмосферу, на окружающую среду", - говорит доктор Хансен.

Доктор Хансен и его команда планируют дальнейшую новую экспериментальную работу. "Для этой статьи мы провели эксперименты на одной длине волны, длине волны, используемой в исследованиях, которыми в настоящее время руководствуются регулирующие органы, промышленность, правительства", - говорит он. "Мы планируем изучить эту химию, используя другие длины волн света, где выход может быть выше или ниже".