Los investigadores del Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) están probando dos tecnologías diseñadas para destruir las sustancias perfluoroalquiladas y polifluoroalquiladas (PFAS), una gran familia de sustancias químicas industriales conocidas por inhibir los procesos de degradación naturales y convencionales.
El primer método utiliza cavitación hidrodinámica, que crea y colapsa pequeñas burbujas de vapor en agua contaminada. El segundo combina plasma atmosférico frío con dispersión de gas. Los análisis realizados por expertos del Centro Helmholtz de Investigaciones Medioambientales (UFZ) confirmaron que las moléculas de PFAS se estaban degradando y que durante el tratamiento se liberaba fluoruro.
Una vez que las tecnologías estén lo suficientemente desarrolladas para uso comercial, podrán ayudar a las industrias a tratar las aguas residuales contaminadas antes de que lleguen a ríos, lagos y océanos.
¿Por qué es tan difícil destruir las PFAS?
Se sospecha que algunos PFAS dañan el material genético y aumentan el riesgo de cáncer, aunque los efectos biológicos de muchos compuestos de este grupo aún no se conocen bien. Más de 10.000 productos químicos industriales de cadena corta y larga están clasificados como PFAS.
Su extraordinaria estabilidad proviene del enlace carbono-flúor altamente estable, uno de los enlaces más fuertes que se encuentran en la química orgánica. Esta resistencia le ha valido a las PFAS el apodo de “productos químicos para siempre”.
Las PFAS pueden ingresar a ríos y océanos a través de aguas residuales y ahora se han extendido por todo el mundo. Los investigadores han identificado recientemente altas concentraciones en el río Elba, que plantean riesgos potenciales para la salud de plantas, animales y humanos.
Como parte de la “Estrategia Nacional del Agua” de Alemania, cuyo objetivo es proteger los recursos hídricos y asegurar el suministro de agua potable del país, los científicos del HZDR están explorando formas de reducir la contaminación por PFAS y destruir sistemáticamente los productos químicos en lugar de simplemente eliminarlos o transferirlos.
En 2022 se inició un estudio preliminar dirigido por la investigadora postdoctoral Dra. Isabel Huacalo-Aguilar. Su equipo probó si la cavitación hidrodinámica podría degradar los PFAS en el agua.
El colapso de la burbuja crea condiciones extremas
“En la cavitación hidrodinámica, hacemos pasar agua rica en PFAS a través de un compresor, creando pequeñas burbujas de vapor”, explica el Dr. Sebastian Reinecke, director de Tecnología del Agua y Medio Ambiente de HZDR.
Los PFAS de cadena larga se comportan como tensioactivos y hacen que se acumulen en burbujas. A medida que el agua sale de la constricción, la presión aumenta y las burbujas colapsan violentamente.
“Cuando las burbujas estallan bajo una presión ambiental cada vez mayor en el agua después de la contracción, los PFAS adheridos a las burbujas quedan expuestos a picos de temperatura locales de varios miles de grados centígrados”, explica Reinecke.
La cavitación produce radicales hidroxilo altamente reactivos. Estas moléculas reaccionan fácilmente con sustancias cercanas y pueden ayudar a destruir los compuestos producidos en las primeras etapas de la descomposición de los PFAS.
“Nuestra hipótesis es que atacan a los productos intermedios, aumentando significativamente la degradación de los PFAS”.
Huaccallo-Aguilar y sus colegas demostraron que la cavitación puede degradar las PFAS en el agua del grifo y mineralizar el flúor ligado orgánicamente. A medida que continuaba el tratamiento, la cantidad de fluoruro medida en el agua siguió aumentando, lo que indica que el flúor se estaba disociando de la molécula de PFAS original.
Las pruebas se centraron en el sulfonato de perfluorooctano (PFOS), un miembro de la familia de los PFAS bien estudiado y excepcionalmente persistente. Al finalizar la prueba, el proceso degradó alrededor del 37 por ciento de las moléculas de PFOS disueltas y mantuvo una tasa de degradación estable.
“Ahora estamos realizando experimentos de seguimiento para aumentar la tasa de degradación”, explica Reinecke. “Nuestro objetivo es mejorar el proceso a una tasa de degradación de más del 80 por ciento de las PFAS en solución y una mineralización de más del 50 por ciento del flúor unido a los productos químicos, es decir, romper los enlaces carbono-flúor que caracterizan a las PFAS”.
El plasma frío ataca rápidamente a las PFAS
En una serie de experimentos separados, el ingeniero ambiental Dr. Amit Kumar combinó plasma atmosférico frío con dispersión de gas para destruir PFAS.
El método funciona en condiciones ambientales normales y no requiere catalizadores ni productos químicos añadidos. Durante su investigación de doctorado, Kumar estudió cómo las especies químicas reactivas producidas por el plasma pueden descomponer los microcontaminantes. Adaptó esos hallazgos para las pruebas de PFAS.
“Creamos un plasma en la superficie del agua y al mismo tiempo introducimos el gas en el agua contaminada con PFAS”, explica Sebastian Reinecke la configuración del experimento. “Los PFAS se adhieren a la superficie de las burbujas de gas. A medida que suben, el agua circula continuamente. Esto lleva los PFAS a la superficie, donde se descomponen en plasma”.
El tratamiento con plasma degradó casi por completo tanto los PFAS de cadena larga como los de cadena corta. Básicamente, libera alrededor del 35 por ciento de los átomos de flúor unidos en la sustancia química, convirtiéndolos en sales de fluoruro.
Los resultados fueron más rápidos que los producidos a través de la cavidad, pero el método también tenía fallas importantes.
“Aunque este método tiene una cinética de reacción mucho más rápida que la cavitación, consume mucha más energía por unidad de volumen”, señala Reinecke. “Además, del proceso se obtienen numerosos productos de transformación que aún no hemos podido investigar en detalle, por ejemplo, compuestos gaseosos que se forman durante la reacción”.
Se están realizando pruebas adicionales para determinar si alguno de estos productos de conversión puede representar un riesgo para la salud. Los investigadores quieren identificar formas de evitar la formación de sustancias potencialmente peligrosas.
Cavitación y coordinación del plasma.
El equipo ahora está adaptando el sistema de plasma para tratar mayores volúmenes de agua contaminada. Utilizando múltiples electrodos y un inyector de gas tecnológico, los investigadores están aumentando el volumen de reacción de unos 50 mililitros a cinco litros.
Su objetivo a largo plazo es combinar el tratamiento con plasma con cavitación hidrodinámica, reuniendo el poder de ambas tecnologías en un solo sistema.
“Creo que lograremos altas tasas de degradación combinando especies altamente reactivas del plasma con efectos de cavitación”, afirmó Reinecke.
Si el enfoque combinado resulta exitoso, podría conducir a una tecnología nueva y más eficiente para destruir las PFAS en el agua contaminada antes de que las sustancias químicas se liberen al medio ambiente.
Esta investigación fue financiada por el Fondo de Impulso y Redes de la Asociación Helmholtz en el Laboratorio de Tecnología de Agua Limpia (CLEWATEC), un Laboratorio de Innovación de Helmholtz, con el número de referencia HIL-A02. Los proyectos “HyKaPro SAB-EFRE” y “Plasma4PFAS SAB-EFRE” están cofinanciados por la Unión Europea y los ingresos fiscales aprobados en el presupuesto estatal del Parlamento sajón.
