Científicos desarrollan métodos innovadores para eliminar los químicos "eternos" del agua
Un equipo de investigadores del Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf prueba dos tecnologías para eliminar PFAS, los conocidos químicos eternos que contaminan el agua. Estas técnicas podrían revolucionar el tratamiento de aguas residuales.
Científicos desarrollan métodos innovadores para eliminar los químicos "eternos" del agua
Un equipo de investigadores del Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf prueba dos tecnologías para eliminar PFAS, los conocidos "químicos eternos" que contaminan el agua. Estas técnicas podrían revolucionar el tratamiento de aguas residuales.
Investigadores del Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) han estado experimentando con dos tecnologías innovadoras para destruir los per- y polifluoroalquil sustancias (PFAS), un grupo de químicos industriales que son conocidos por su resistencia a los procesos de descomposición convencionales.
El primer método utiliza la cavitación hidrodinámica, que genera y colapsa pequeñas burbujas de vapor en el agua contaminada. El segundo método combina plasma frío con dispersión de gas. Análisis realizados por el Centro Helmholtz de Investigación Ambiental (UFZ) confirmaron que las moléculas de PFAS se degradaron y que se liberó flúor durante el tratamiento.
Una vez que estas tecnologías estén suficientemente desarrolladas para su uso comercial, podrían ayudar a las industrias a tratar aguas residuales contaminadas antes de que lleguen a ríos, lagos y océanos.
Desafíos en la destrucción de 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 son aún poco comprendidos. Más de 10,000 químicos industriales, tanto de cadena corta como larga, están clasificados como PFAS.
Su extraordinaria durabilidad proviene de los enlaces carbono-flúor, que son algunos de los más fuertes en la química orgánica, lo que les ha valido el apodo de "químicos eternos".
Los PFAS pueden ingresar a ríos y océanos a través de aguas residuales y se han detectado altas concentraciones en el río Elba, lo que representa un posible riesgo para la salud de plantas, animales y personas.
Como parte de la "Estrategia Nacional del Agua" de Alemania, que busca proteger los recursos hídricos y asegurar el suministro de agua potable del país, los científicos del HZDR investigan maneras de reducir la contaminación por PFAS y destruir sistemáticamente estos químicos en lugar de simplemente eliminarlos o trasladarlos.
Un estudio preliminar lanzado en 2022 fue liderado por la investigadora postdoctoral Dr. Ysabel Huaccallo-Aguilar, cuyo equipo examinó si la cavitación hidrodinámica podría degradar PFAS en el agua.
Burbujas colapsantes generan condiciones extremas
"En la cavitación hidrodinámica, hacemos pasar agua enriquecida con PFAS a través de una constricción, generando pequeñas burbujas de vapor", explicó el Dr. Sebastian Reinecke, jefe del Departamento de Tecnologías del Agua y del Medio Ambiente en HZDR.
Los PFAS de cadena larga se comportan como sustancias activas de superficie, lo que provoca que se acumulen en las burbujas. A medida que el agua avanza más allá de la sección constrictiva, la presión aumenta y las burbujas colapsan violentamente.
"Cuando las burbujas estallan bajo la presión ambiental creciente en el agua aguas abajo de la constricción, los PFAS que están adheridos a las burbujas se exponen a picos de temperatura locales de varios miles de grados Celsius", añadió Reinecke.
La cavitación también genera radicales hidroxilo altamente reactivos. Estas moléculas reaccionan fácilmente con sustancias cercanas y pueden ayudar a destruir compuestos producidos durante las etapas iniciales de la descomposición de PFAS.
Huaccallo-Aguilar y sus colegas demostraron que la cavitación podría degradar PFAS en agua del grifo mientras mineralizaban el flúor orgánicamente unido. A medida que continuó el tratamiento, la cantidad de flúor medida en el agua aumentó constantemente, lo que indica que el flúor se estaba separando de las moléculas originales de PFAS.
Los experimentos se centraron en el perfluorooctano sulfonato (PFOS), un miembro bien estudiado y excepcionalmente persistente de la familia PFAS. Al finalizar la prueba, el proceso había degradado alrededor del 37 por ciento de las moléculas de PFOS disueltas, manteniendo una tasa de descomposición estable.
"Estamos realizando experimentos de seguimiento para aumentar la tasa de degradación", explicó Reinecke. "Nuestro objetivo es mejorar el proceso para alcanzar una tasa de degradación de más del 80 por ciento de los PFAS en la solución y mineralizar más del 50 por ciento del flúor que está unido a los químicos, lo que significa romper los enlaces carbono-flúor típicos de los PFAS".
Plasma frío ataca rápidamente los PFAS
En un conjunto separado de experimentos, el ingeniero ambiental Dr. Amit Kumar combinó plasma frío atmosférico con dispersión de gas para destruir PFAS.
El método funciona en condiciones ambientales normales y no requiere catalizadores ni químicos añadidos. Durante su investigación de doctorado, Kumar estudió cómo las especies químicas reactivas producidas por el plasma podrían descomponer micropolutantes. Adaptó esos hallazgos para los experimentos con PFAS.
"Generamos plasma en la superficie del agua mientras introducimos simultáneamente gas en el agua contaminada con PFAS", explica Reinecke, describiendo la configuración experimental. "Los PFAS se adhieren a la superficie de las burbujas de gas. A medida que estas ascienden, el agua se circula constantemente. Esto lleva los PFAS a la superficie, donde se descomponen en el plasma".
El tratamiento con plasma degradó casi por completo tanto los PFAS de cadena larga como los de cadena corta. También liberó aproximadamente el 35 por ciento de los átomos de flúor originalmente unidos a los químicos, convirtiéndolos en sales de flúor.
Los resultados fueron más rápidos que los producidos a través de la cavitación, pero el método también presentó importantes desventajas.
"Aunque este método tiene cinéticas de reacción significativamente más rápidas que la cavitación, también consume mucha más energía por unidad de volumen", señaló Reinecke. "Además, el proceso genera numerosos productos de transformación que aún no hemos podido investigar en detalle, como compuestos gaseosos que se forman durante la reacción".
Se están llevando a cabo experimentos adicionales para determinar si alguno de estos productos de transformación podría representar riesgos para la salud. Los investigadores también quieren identificar formas de prevenir la formación de sustancias potencialmente peligrosas.
Combinando cavitación y plasma
El equipo ahora está adaptando el sistema de plasma para tratar mayores cantidades de agua contaminada. Mediante el uso de múltiples electrodos y un inyector de gas técnico, los investigadores están aumentando el volumen de reacción de aproximadamente 50 mililitros a cinco litros.
Su objetivo a largo plazo es combinar el tratamiento con plasma y la cavitación hidrodinámica, aprovechando las fortalezas de ambas tecnologías en un solo sistema.
"Creo que lograremos altas tasas de degradación al combinar las especies altamente reactivas del plasma con los efectos de la cavitación", concluyó Reinecke.
Si el enfoque combinado resulta exitoso, podría dar lugar a una nueva y más eficiente tecnología para destruir PFAS en agua contaminada antes de que los químicos se propaguen en el medio ambiente.
Esta investigación fue financiada por el Fondo de Impulso y Redes de la Asociación Helmholtz a través del Laboratorio de Tecnología de Agua Limpia (CLEWATEC), un Laboratorio de Innovación Helmholtz, bajo 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 según lo aprobado por el Parlamento de Sajonia en su presupuesto estatal.
Lectura rápida
¿Qué se está investigando?
Se investigan dos métodos para destruir PFAS, conocidos como "químicos eternos".
¿Quiénes realizan la investigación?
Investigadores del Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf están llevando a cabo los estudios.
¿Cuándo se lanzó la investigación?
La investigación comenzó con un estudio preliminar en 2022.
¿Dónde se han detectado PFAS?
Se han encontrado altas concentraciones de PFAS en el río Elba.
¿Por qué es importante esta investigación?
La eliminación de PFAS es crucial para reducir riesgos para la salud y el medio ambiente.
