Nuevo método en la lucha contra los productos químicos para siempre
Los investigadores utilizan por primera vez una tecnología conocida como "piezocatálisis"
Investigadores de la ETH de Zúrich han desarrollado una nueva forma de descomponer un peligroso subgrupo de PFAS conocido como PFOS. Con la ayuda de nanopartículas y ultrasonidos, la piezocatálisis podría ofrecer en el futuro una alternativa eficaz a los procesos existentes.
¿Qué tienen en común la espuma antiincendios, los utensilios de cocina antiadherentes, los tejidos hidrófugos y los pesticidas? Todos contienen sustancias perfluoroalquiladas y polifluoroalquiladas (PFAS), sustancias químicas artificiales que no se descomponen de forma natural. No es de extrañar, por tanto, que los PFAS estén contaminando el suelo y el agua y que también puedan detectarse en el organismo de personas y animales. Los peligros son bien conocidos: estas sustancias químicas para siempre pueden dañar el hígado, desencadenar trastornos hormonales y provocar cáncer, por mencionar sólo algunos de sus efectos.
Los investigadores del grupo de Salvador Pané i Vidal, catedrático del Instituto de Robótica y Sistemas Inteligentes de la ETH de Zúrich, han desarrollado un nuevo método para descomponer un subgrupo de PFAS llamado sulfonatos de perfluorooctano, o PFOS. Debido a su toxicidad, los PFOS están ahora severamente restringidos o incluso prohibidos. "El principal problema es que las moléculas están formadas por largas cadenas de carbono rodeadas de átomos de flúor. Este enlace carbono-flúor es tan fuerte que se necesita mucha energía para romperlo", explica Andrea Veciana, estudiante de doctorado de Pané i Vidal.
Romper moléculas con ultrasonidos y nanopartículas
Para romper las moléculas de PFOS y degradarlas así en el agua, los investigadores utilizaron por primera vez la piezocatálisis. "Piezo" hace referencia a la piezoelectricidad, una carga eléctrica que se genera durante una deformación mecánica, y "catálisis" significa acelerar una reacción química con sustancias adecuadas. "Hemos desarrollado nanomateriales que son piezoeléctricos. A simple vista, este material se parece un poco a la arena", explica Veciana. En el baño de ultrasonidos, estas partículas se cargan eléctricamente y actúan como catalizador. añade Pané i Vidal: "Es esta carga eléctrica la que pone en marcha toda la cadena de reacciones y descompone las moléculas de PFOS pieza a pieza. Por eso las nanopartículas se llaman piezoeléctricas".
Para medir la concentración de PFOS en sus muestras, los investigadores trabajaron con Samy Boulos, especialista analítico del Laboratorio de Bioquímica Alimentaria. Utilizando un espectrómetro de masas, los investigadores pudieron comprobar que el 90,5 por ciento de las moléculas de PFOS estaban degradadas. "Sin embargo, debemos señalar que estábamos trabajando con una concentración muy alta, de 4 miligramos por litro", afirma Veciana. "En el mundo natural, como en lagos y ríos, la concentración de PFOS es inferior a 1 microgramo por litro. Y cuanto menor es la concentración, más tarda el PFOS en degradarse". Algunas de las tecnologías actualmente en desarrollo primero concentran el agua y luego destruyen los PFOS. Esto también sería un paso clave en la piezocatálisis, que tendría que llevarse a cabo en una aplicación específica, como un efluente de la industria química.
Mejor que los métodos anteriores
El potencial del nuevo método queda claro al considerar las opciones existentes para degradar los PFAS. "Un método es la descomposición térmica, pero requiere una temperatura de más de 1.000 grados centígrados, lo que hace que consuma mucha energía", explica Veciana. Los PFAS también pueden degradarse mediante fotocatálisis. Este proceso es similar a la piezocatálisis, pero utiliza luz para activar el catalizador en lugar de energía mecánica. El principal problema de este método es que, en la práctica, el objetivo es tratar las aguas residuales, y como éstas son turbias, la penetración de la luz es escasa. Veciana menciona un tercer método: "También existe la absorción, en la que se utiliza una especie de esponja para absorber los contaminantes del agua. Pero esto no hace más que trasladar el problema de un lugar a otro; ahora se necesita una solución para la esponja impregnada de PFAS".
Las desventajas de los métodos existentes fueron una de las razones por las que los investigadores de la ETH buscaron una nueva forma de descomponer los PFAS. La piezocatálisis tiene la ventaja de poder trabajar con distintas fuentes de energía mecánica. "Si hay que purificar el agua en las plantas de tratamiento de aguas residuales y ya hay turbulencias en el agua, tal vez se podría aprovechar esa energía para descomponer los PFAS que contiene", explica Veciana.
Combatir juntos los PFAS
Por desgracia, lo que los investigadores han conseguido en el laboratorio con muestras de agua de 50 mililitros aún no se ha trasladado a la práctica. "La escalabilidad de nuestro método es uno de los mayores retos", afirma Pané i Vidal. "Sin embargo, hemos conseguido demostrar que la piezocatálisis funciona como método para degradar PFOS y presenta ventajas sobre los métodos anteriores". Además, su método no sólo puede utilizarse con PFOS, sino con cualquier otro PFAS y microcontaminante.
En general, los métodos para degradar los PFAS deben utilizarse antes de que las sustancias químicas lleguen al medio ambiente, es decir, en las plantas de tratamiento de aguas residuales industriales, o en el agua agrícola recogida para su reutilización. "Las empresas deben tomar todas las medidas posibles para garantizar que el agua que vierten al medio ambiente sea lo más limpia posible", afirma Pané i Vidal. Veciana añade: "Los PFAS son un problema mundial que debe abordarse ante todo mediante cambios políticos y más transparencia". Ya hay mucha cobertura mediática sobre una prohibición de los PFAS y una normativa más estricta que obligue a la industria a ser más transparente sobre el uso de estas sustancias químicas. Veciana afirma: "No obstante, también es importante seguir innovando a través de la investigación para reducir y remediar en la medida de lo posible la exposición existente a los PFAS."
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Publicación original
Andrea Veciana, Sarah Steiner, Qiao Tang, Vitaly Pustovalov, Joaquin Llacer‐Wintle, Jiang Wu, Xiang‐Zhong Chen, Trust Manyiwa, Venecio U. Ultra, Beltzane Garcia‐Cirera, Josep Puigmartí‐Luis, Carlos Franco, David J. Janssen, Laura Nyström, Samy Boulos, Salvador Pané; "Breaking the Perfluorooctane Sulfonate Chain: Piezocatalytic Decomposition of PFOS Using BaTiO3 Nanoparticles"; Small Science, 2024-8-28
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