Científicos de la Universidad Rice han desarrollado una nueva tecnología de filtración que podría absorber algunos químicos PFAS (sustancias perfluoroalquiladas y polifluoroalquiladas) hasta 100 veces más rápido que los sistemas de filtración comúnmente utilizados, según un estudio revisado por pares publicado recientemente.

Los investigadores han creado un material de hidróxido doble en capas (LDH) fabricado con cobre y aluminio que absorbe los PFAS de cadena larga a una velocidad significativamente mayor que los sistemas de filtración actuales, según Michael Wong, director del Instituto del Agua de Rice, un centro de investigación especializado en PFAS.

"Este material va a ser importante para la dirección de la investigación sobre la destrucción de PFAS en general", afirmó Wong.

Los PFAS son una clase de al menos 16.000 compuestos frecuentemente utilizados para ayudar a que los productos resistan el agua, las manchas y el calor. Se les conoce como "químicos eternos" porque no se degradan naturalmente y se acumulan en el medio ambiente. Estas sustancias están vinculadas a graves problemas de salud como cáncer, enfermedades renales, problemas hepáticos, trastornos inmunológicos y defectos de nacimiento.

La tecnología de filtración actual, como el carbón activado granular, la ósmosis inversa o el intercambio iónico, absorbe los PFAS en el agua, pero los químicos atrapados en el filtro deben almacenarse en instalaciones de residuos peligrosos o ser destruidos. La destrucción de estos químicos generalmente implica un proceso térmico que los somete a altas temperaturas, pero eso deja subproductos tóxicos o esencialmente divide los PFAS más grandes en PFAS más pequeños. Actualmente no existe una tecnología que destruya completamente los PFAS a escala industrial.

Wong explicó que el proceso no térmico desarrollado por Rice funciona absorbiendo y concentrando los PFAS a niveles altos, lo que hace posible destruirlos sin altas temperaturas.

El material LDH que Rice desarrolló es una variación de materiales similares utilizados anteriormente, pero los investigadores reemplazaron algunos átomos de aluminio con átomos de cobre. El material LDH tiene carga positiva y los PFAS de cadena larga tienen carga negativa, lo que hace que el material atraiga y absorba los químicos.

"Ahí lo tienes: simplemente los absorbe a un ritmo 100 veces más rápido que otros materiales disponibles", añadió Wong.

Los PFAS son prácticamente indestructibles porque sus átomos de carbono están unidos con flúor, pero Rice descubrió que los enlaces podrían romperse si los químicos en el material se calentaban a 400-500°C, una temperatura relativamente baja. El flúor queda atrapado en el material LDH y se une al calcio. El material residual de fluoruro de calcio es seguro y puede desecharse en un vertedero, según Wong.

El proceso funciona con algunos PFAS de cadena larga que se encuentran entre los contaminantes de agua más comunes, y también absorbió algunos PFAS más pequeños que son habituales. Wong dijo estar seguro de que el material puede usarse para absorber una amplia gama de PFAS, especialmente si tienen carga negativa.

Paralelamente, científicos de la Universidad Temple están investigando si el uso de burbujas de aire puede eliminar químicos tóxicos del agua superficial antes de que llegue a los grifos de las personas.

El objetivo es eliminar los químicos PFAS dañinos y los microplásticos al mismo tiempo, con la sostenibilidad en mente. La tecnología actual para eliminar PFAS es efectiva, pero también consume mucha energía.

"Necesitamos centrarnos también en los microplásticos, porque los PFAS se adsorben en la superficie del microplástico", dijo Saiful Islam, estudiante de doctorado en el programa de ingeniería ambiental de Temple. "La mayoría de estos contaminantes emergentes coexisten en nuestro medio ambiente, así como en el sistema acuático, y todos estos contaminantes interactúan entre sí".

La investigación de Islam, que se encuentra en una etapa temprana, implica el uso de burbujas de aire para crear una espuma que busca capturar PFAS y microplásticos del agua superficial. El objetivo es filtrar los contaminantes antes de que entren en la planta de tratamiento.

Los PFAS tienen colas hidrofóbicas, lo que significa que son repelidas por el agua. Cuando se introducen las burbujas de aire en el agua, la cola hidrofóbica es atraída hacia las burbujas y queda atrapada en su superficie. A medida que las burbujas suben, transportan los contaminantes, que luego pueden separarse y destruirse.

La tecnología basada en espuma puede evitar el uso de químicos tóxicos y es más eficiente energéticamente que los métodos actuales de eliminación de PFAS, según Islam.

La mayoría de los proveedores de agua utilizan carbón activado granular, que actualmente es la forma más asequible y efectiva de eliminar los "químicos eternos". Sin embargo, esta tecnología puede tener impactos ambientales.

Para producir carbón activado, que se fabrica a partir de carbón, debe someterse a temperaturas significativamente altas. Ese proceso puede liberar dióxido de carbono a la atmósfera.

Una vez que el carbón activado se utiliza para eliminar PFAS, los materiales deben desecharse, a veces mediante incineración o enviándolos a un vertedero. El carbón activado puede reciclarse para su reutilización, pero eso también requiere mucha energía.

Gangadhar Andaluri, profesor asistente de ingeniería civil y ambiental en Temple, dijo que la tecnología basada en espuma podría ayudar a reducir la energía y los residuos. El objetivo es tratar los contaminantes directamente del agua superficial antes de que entre en la planta de tratamiento.

"Si podemos usar estas burbujas de aire y expulsar los PFAS antes de que entren en la fase de tratamiento inicial, podría ser más útil", dijo Andaluri, quien es el asesor de facultad de Islam.

Otra aproximación innovadora proviene de la física de aceleradores. Un estudio reciente publicado en PLOS One muestra que un acelerador desarrollado en HZB, basado en un fotoinyector SRF, puede proporcionar el haz de electrones necesario para descomponer moléculas de PFAS en componentes inofensivos mediante un proceso llamado radiólisis.

En un estudio de viabilidad, un equipo dirigido por el Prof. Dr. Thorsten Kamps ha demostrado que este acelerador puede entregar el haz de electrones requerido para este propósito. Este haz de electrones debe tener una energía específica y alta potencia promedio.

"El concepto de fotoinyector SHF es altamente flexible y perfectamente adecuado para el desarrollo adicional del tratamiento de agua con PFAS basado en aceleradores. Esto nos permite descubrir qué parámetros de haz optimizan el rendimiento químico para compuestos PFAS específicos", dice Tasha Spohr, autora principal del estudio.

La visión para esta tecnología es un acelerador de electrones compacto que quepa en un contenedor. Esto podría usarse en puntos críticos de contaminación a costos potencialmente más bajos y con menos esfuerzo que la tecnología de remediación convencional que utiliza sistemas de filtros.

Los proveedores de agua están obligados por la Agencia de Protección Ambiental de EE.UU. a reducir los "químicos eternos" a casi cero para 2031. Según la normativa actual (pero sujeta a cambios), las soluciones para eliminar dos PFAS específicos —PFOA y PFOS— hasta 4,0 partes por billón deben implementarse para 2029.

Laura Orlando, investigadora de PFAS con la organización sin fines de lucro Just Zero e ingeniera civil que trabaja en diseño de gestión de residuos, dijo que siempre es escéptica sobre las afirmaciones en torno a la destrucción total de PFAS y las nuevas tecnologías de filtración, porque los procesos son tan complejos en condiciones del mundo real. Otros desafíos como la seguridad ocupacional, o las regulaciones y permisos, tendrían que ser considerados.

"Vamos a necesitar tantas tecnologías como podamos encontrar para lidiar con los PFAS en el agua potable, y si esto funciona a escala en aguas residuales, entonces sería realmente algo a lo que prestar atención", dijo Orlando.