Una nueva hoja de ruta avanza en las soluciones catalíticas para eliminar las sustancias químicas eternas

Los investigadores propusieron un «tren de tratamiento» secuencial, en el que mezclas simplificadas de PFAS se procesan mediante pasos catalíticos a medida.

Un equipo de investigadores de la Universidad Rice, la Universidad Carnegie Mellon y otras instituciones punteras de todo el mundo ha esbozado una nueva y audaz hoja de ruta para aprovechar la catálisis heterogénea con el fin de destruir las sustancias perfluoroalquiladas y polifluoroalquiladas (PFAS), las llamadas «sustancias químicas eternas» que han contaminado el suministro de agua en todo el mundo.

En un estudio publicado en Nature Water, el equipo internacional de ingenieros medioambientales, químicos y expertos en catálisis evaluó las tecnologías catalíticas actuales para la destrucción de PFAS, propuso una serie de innovaciones para superar las limitaciones existentes y subrayó la urgente necesidad de una métrica de rendimiento holística que refleje los verdaderos beneficios para el medio ambiente y la salud pública.

«La catálisis ofrece una vía prometedora para descomponer por completo las moléculas de PFAS, pero los métodos actuales distan mucho de ser óptimos», afirmó Michael Wong, coautor y director del Departamento de Ingeniería Química y Biomolecular de Rice. «Necesitamos un diseño más inteligente, una mejor integración de los procesos y una forma más matizada de comparar tecnologías que tenga en cuenta la reducción de energía, costes y toxicidad».

Los PFAS son compuestos sintéticos utilizados en productos que van desde las espumas contra incendios hasta los utensilios de cocina y los productos de cuidado personal. Sus enlaces carbono-flúor son de los más fuertes de la química, lo que los hace extremadamente persistentes en el medio ambiente y difíciles de degradar. Los tratamientos convencionales del agua, como la ósmosis inversa y los filtros de carbón activado, sólo separan los PFAS del agua, lo que significa que quedan residuos tóxicos.

«La catálisis heterogénea -el uso de materiales sólidos para acelerar las reacciones químicas- tiene el potencial no sólo de separar los PFAS, sino también de mineralizarlos y convertirlos en subproductos inocuos», afirma Gregory Lowry, autor correspondiente y catedrático Hamerschlag de Ingeniería Civil y Medioambiental en Carnegie Mellon. «Pero estos sistemas se enfrentan a múltiples obstáculos, como una selectividad deficiente, una defluoración incompleta y una elevada demanda energética».

Una de las principales recomendaciones del equipo es un paso previo al tratamiento para simplificar la compleja sopa de PFAS que suele encontrarse en los residuos industriales o en las aguas subterráneas contaminadas. Utilizando reacciones químicas homogéneas conocidas, postulan que estas mezclas pueden transformarse en un conjunto más pequeño de compuestos mejor comprendidos, allanando el camino para una destrucción catalítica más eficaz.

«Pensar en el complejo tratamiento de los PFAS como un proceso de varias etapas que requerirá muchos pasos hace que el diseño de catalizadores sea mucho más manejable», explica Sarah Glass, coautora y estudiante de posgrado de ingeniería civil y medioambiental en Rice. «Diseñar y utilizar técnicas de tratamiento que sean realmente eficaces para un determinado paso de la degradación puede mejorar la eficacia general y acelerar el desarrollo de soluciones catalíticas en el mundo real».

Los investigadores propusieron un «tren de tratamiento» secuencial, en el que mezclas simplificadas de PFAS se procesan mediante pasos catalíticos a medida. En primer lugar, el proceso elimina grupos de cabeza químicos específicos de las moléculas de PFAS. A continuación, acorta sus largas cadenas de carbono perfluorado, eliminando los átomos de flúor, la clave de su persistencia. Por último, los fragmentos fluorados restantes se descomponen en sustancias seguras y naturales como el dióxido de carbono, el agua y los iones de flúor. En cada paso se utiliza un catalizador especializado adaptado a la estructura química de cada etapa. Por ejemplo, se utilizan materiales a base de titanio para acelerar la oxidación, mientras que el paladio ayuda a cambiar los átomos de flúor por hidrógeno en un proceso denominado hidrodefluoración reductora. Este planteamiento garantiza que incluso las mezclas complejas de PFAS puedan destruirse eficazmente en lugar de simplemente absorberse en un sólido, lo que requeriría un tratamiento adicional.

«Piense en ello como en una carrera de relevos», explica Thomas Senftle, coautor y Profesor Asociado de Ingeniería Química y Biomolecular en Rice. «Cada catalizador pasa un PFAS parcialmente degradado al siguiente hasta que la molécula se descompone por completo. Nuestro objetivo es la defluoración total».

Los investigadores subrayaron la importancia de crear catalizadores que puedan dirigirse a los PFAS y descomponerlos sin distraerse con otras sustancias que suelen encontrarse en el agua contaminada. Para ello, están explorando superficies de catalizadores que atraigan mejor a los PFAS y están utilizando modelos informáticos y aprendizaje automático para predecir reacciones y optimizar el diseño de catalizadores.

«Todavía estamos aprendiendo qué PFAS se descomponen en qué condiciones», explica Pedro Álvarez, coautor del estudio, catedrático de Ingeniería Civil y Medioambiental y director del Instituto Rice de Emprendimiento e Investigación en Tecnologías del Agua. «Las simulaciones basadas en datos pueden acelerar drásticamente el proceso de descubrimiento».

El equipo también introdujo una nueva métrica energética denominada energía eléctrica por orden de defluoración (EEOD) para comparar de forma equitativa la eficacia con la que los distintos sistemas catalíticos rompen los enlaces flúor-carbono. A diferencia de las métricas de eliminación tradicionales, la EEOD se centra en la degradación real, no sólo en la separación.

El estudio concluye con un llamamiento a la colaboración interdisciplinar y al intercambio abierto de datos para perfeccionar las estrategias de tratamiento de PFAS, ya que la necesidad de métodos de destrucción escalables y rentables es mayor que nunca.

«Los PFAS son un reto generacional», afirma Wong. «Debemos a las generaciones futuras encontrar soluciones inteligentes y sostenibles, y la catálisis puede ser una de ellas».