El nitruro de boro destruye los químicos PFAS "para siempre" PFOA, GenX

Los ingenieros químicos de la Universidad de Rice encontraron un catalizador eficiente para destruir los químicos del PFAS "para siempre" donde menos se lo esperaban.

"Fue el control", dijo el profesor de Rice Michael Wong, refiriéndose a la parte de un experimento científico donde los investigadores no esperan sorpresas. El grupo de control es la vara de medir de la ciencia experimental, la línea de base por la que se miden las variables.

"Aún no hemos probado esto a escala completa, pero en nuestras pruebas de mesa de trabajo en el laboratorio, pudimos deshacernos del 99% del PFOA en cuatro horas", dijo Wong sobre el nitruro de boro, el catalizador activado por la luz con el que él y sus estudiantes tropezaron y pasaron más de un año probándolo.

Su estudio, que está disponible en línea en la revista de la Sociedad Química Americana Environmental Science and Technology Letters, encontró que el nitruro de boro destruía el PFOA (ácido perfluorooctanoico) en un clip más rápido que cualquier fotocatalizador previamente reportado. El PFOA es uno de los PFAS (sustancias de perfluoroalquilo y polifluoroalquilo) más prevalentes, una familia de más de 4.000 compuestos desarrollada en el siglo XX para hacer revestimientos para ropa impermeable, envases de alimentos, ollas antiadherentes y un sinnúmero de otros usos. El PFAS ha sido denominado desde siempre como un producto químico por su tendencia a permanecer en el medio ambiente, y los científicos lo han encontrado en la sangre de prácticamente todos los estadounidenses, incluidos los recién nacidos.

Los catalizadores son la especialidad de Wong. Son compuestos que provocan reacciones químicas sin participar o consumirse en esas reacciones. Su laboratorio ha creado catalizadores para destruir una serie de contaminantes, incluyendo el TCE y los nitratos, y dijo que encargó a su equipo la tarea de encontrar nuevos catalizadores para tratar el PFAS hace unos 18 meses.

"Intentamos muchas cosas", dijo Wong, presidente del Departamento de Ingeniería Química y Biomolecular de la Escuela de Ingeniería Brown de Rice. "Probamos varios materiales que pensé que iban a funcionar. Ninguno de ellos lo hizo. Se suponía que esto no iba a funcionar, y funcionó".

El catalizador, polvo de nitruro de boro, o BN, es un mineral sintético disponible comercialmente que se utiliza ampliamente en maquillaje, productos para el cuidado de la piel, pastas térmicas que enfrían los chips de ordenador y otros productos de consumo e industriales.

El descubrimiento comenzó con docenas de experimentos fallidos en catalizadores de PFAS más probables. Wong dijo que le pidió a dos miembros de su laboratorio, la estudiante graduada visitante Lijie Duan de la Universidad Tsinghua de China y el estudiante graduado de Rice, Bo Wang, que hicieran los experimentos finales en un conjunto de compuestos candidatos antes de pasar a otros.

"Había literatura que sugería que uno de ellos podría ser un fotocatalizador, lo que significa que se activaría por la luz de una longitud de onda particular", dijo Wong. "No usamos la luz muy a menudo en nuestro grupo, pero dije, 'Sigamos adelante y garabateemos con ella'. El sol es energía libre. Veamos qué podemos hacer con la luz".

Como antes, ninguno de los grupos experimentales funcionó bien, pero Duan notó algo inusual con el control de nitruro de boro. Ella y Wang repitieron los experimentos numerosas veces para descartar errores inesperados, problemas con la preparación de las muestras y otras explicaciones del extraño resultado. Siguieron viendo lo mismo.

"Esta es la observación", dijo Wong. "Tomas un frasco de agua que contiene algo de PFOA, le echas el polvo de BN y lo sellas. Eso es todo. No necesitas añadir hidrógeno o purgarlo con oxígeno. Es sólo el aire que respiramos, el agua contaminada y el polvo BN. Lo expones a la luz ultravioleta, específicamente a la luz UV-C con una longitud de onda de 254 nanómetros, regresas en cuatro horas, y el 99% del PFOA se ha transformado en fluoruro, dióxido de carbono e hidrógeno".

El problema era la luz. La longitud de onda de 254-nanómetros, que se utiliza comúnmente en las lámparas germicidas, es demasiado pequeña para activar el bandgap en el nitruro de boro. Aunque eso era incuestionablemente cierto, los experimentos sugerían que no podía serlo.

"Si se quita la luz, no se obtiene la catálisis," dijo Wong. "Si dejas fuera el polvo de BN y sólo usas la luz, no obtienes una reacción."

Así que el nitruro de boro estaba claramente absorbiendo la luz y catalizando una reacción que destruía el PFOA, a pesar de que debería haber sido ópticamente imposible que el nitruro de boro absorbiera la luz UV-C de 254 nanómetros.

"No se supone que funcione", dijo Wong. "Por eso nadie pensó nunca en buscar esto, y por eso nos llevó tanto tiempo publicar los resultados. Necesitábamos algún tipo de explicación para esta contradicción."

Wong dijo que él, Duan, Wang y los co-autores ofrecieron una explicación plausible en el estudio.

"Concluimos que nuestro material absorbe la luz de 254 nanómetros, y es debido a los defectos atómicos de nuestro polvo", dijo. "Los defectos cambian la brecha. Lo encogen lo suficiente para que el polvo absorba la luz suficiente para crear las especies oxidantes reactivas que mastican el PFOA."

Wong dijo que se necesitarán más pruebas experimentales para confirmar la explicación. Pero a la luz de los resultados con el PFOA, se preguntó si el catalizador de nitruro de boro podría funcionar también en otros compuestos del PFAS.

"Así que le pedí a mis estudiantes que hicieran una cosa más," dijo Wong. "Les pedí que reemplazaran el PFOA en las pruebas con GenX."

GenX es también un químico de siempre. Cuando se prohibió el PFOA, GenX fue uno de los productos químicos más utilizados para reemplazarlo. Y un creciente cuerpo de evidencia sugiere que GenX podría ser un problema ambiental tan grande como su predecesor.

"Es una historia similar a la del PFOA," dijo Wong. "Están encontrando GenX en todas partes ahora. Pero una diferencia entre los dos es que la gente ha reportado previamente algún éxito con los catalizadores para degradar el PFOA. No lo han hecho para GenX."

Wong y sus colegas encontraron que el polvo de nitruro de boro también destruye el GenX. Los resultados no fueron tan buenos como con el PFOA: Con dos horas de exposición a 254-nanómetros de luz, el BN destruyó cerca del 20% del GenX en muestras de agua. Pero Wong dijo que el equipo tiene ideas sobre cómo mejorar el catalizador para GenX.

Dijo que el proyecto ya ha atraído la atención de varios socios industriales en el Centro de Investigación de Ingeniería de Nanosistemas para el Tratamiento de Agua por Nanotecnología (NEWT). NEWT es un centro de investigación de ingeniería interdisciplinaria financiado por la Fundación Nacional de Ciencias para desarrollar sistemas de tratamiento de agua fuera de la red que protejan las vidas humanas y apoyen el desarrollo económico sostenible.

"La investigación ha sido divertida, un verdadero esfuerzo de equipo," dijo Wong. "Hemos registrado patentes sobre esto, y el interés de NEWT en más pruebas y desarrollo de la tecnología es un gran voto de confianza."