Investigadores de la Universidad Rice, en colaboración con socios internacionales, han desarrollado la primera tecnología ecológica para capturar y destruir rápidamente las sustancias químicas tóxicas permanentes (PFAS) presentes en el agua. Los hallazgos, publicados recientemente en Advanced Materials, representan un gran avance para abordar una de las amenazas ambientales más persistentes del mundo.
El estudio fue dirigido por Youngkun Chung, investigador postdoctoral bajo la tutoría de Michael S. Wong, profesor de la Escuela de Ingeniería y Computación George R. Brown de Rice, y realizado en colaboración con Seoktae Kang, profesor del Instituto Avanzado de Ciencia y Tecnología de Corea (KAIST), y Keon-Ham Kim, profesor de la Universidad Nacional Pukyung en Corea del Sur. Las PFAS, abreviatura de sustancias perfluoroalquiladas y polifluoroalquiladas, son sustancias químicas sintéticas que se fabricaron por primera vez en la década de 1940 y se utilizan en productos que van desde sartenes de teflón hasta ropa impermeable y envases de alimentos. Su resistencia al calor, la grasa y el agua las ha hecho valiosas para la industria y los consumidores. Sin embargo, esa misma resistencia significa que no se degradan fácilmente, lo que les ha valido el apodo de “sustancias químicas para siempre”.
Hoy en día, los PFAS se encuentran en el agua, el suelo y el aire de todo el mundo. Estudios los vinculan con daño hepático, trastornos reproductivos, alteraciones del sistema inmunitario y ciertos tipos de cáncer. Los esfuerzos para limpiar los PFAS han sido difíciles debido a la dificultad de eliminar y destruir estas sustancias químicas una vez liberadas al medio ambiente.
Limitaciones de la tecnología actual
Los métodos tradicionales de limpieza de PFAS suelen basarse en la adsorción, donde las moléculas se adhieren a materiales como el carbón activado o las resinas de intercambio iónico. Si bien estos métodos son ampliamente utilizados, presentan importantes inconvenientes: baja eficiencia, rendimiento lento, capacidad limitada y la generación de residuos adicionales que requieren eliminación.
“Los métodos actuales para la eliminación de PFAS son demasiado lentos, ineficientes y generan residuos secundarios”, afirmó Wong, profesor de Nanotecnología Molecular de la Cátedra Tina y Sunit Patel y profesor de Ingeniería Química y Biomolecular, Química e Ingeniería Civil y Ambiental. “Nuestro nuevo enfoque ofrece una alternativa sostenible y altamente eficaz”.
Un material con potencial real
La innovación del equipo liderado por Rice se centra en un material de hidróxido doble en capas (LDH) hecho de cobre y aluminio, descubierto por primera vez por Kim como estudiante de posgrado en KAIST en 2021. Mientras experimentaba con estos materiales, Chung descubrió que una formulación con nitrato podía adsorber PFAS con una eficiencia récord.
“Para mi asombro, este compuesto LDH capturó las PFAS más de 1000 veces mejor que otros materiales”, afirmó Chung, autor principal del estudio y actual investigador del Instituto WaTER (Tecnologías del Agua, Emprendimiento e Investigación) y del Instituto de Sostenibilidad de Rice. “Además, funcionó increíblemente rápido, eliminando grandes cantidades de PFAS en cuestión de minutos, unas 100 veces más rápido que los filtros de carbón comerciales”.
La eficacia del material reside en su singular estructura interna. Sus capas organizadas de cobre y aluminio, combinadas con ligeros desequilibrios de carga, crean un entorno ideal para que las moléculas de PFAS se unan con rapidez y fuerza.
Para comprobar la viabilidad de la tecnología, el equipo evaluó el material LDH en agua de río, agua corriente y aguas residuales. En todos los casos, demostró una alta eficacia, con un buen rendimiento tanto en sistemas estáticos como de flujo continuo. Los resultados sugieren un gran potencial para aplicaciones a gran escala en el tratamiento de aguas municipales y la limpieza industrial.
Cerrando el círculo: Capturar y destruir
Eliminar los PFAS del agua es sólo una parte del desafío. Destruirlos de forma segura es igualmente importante. En colaboración con los profesores de Rice, Pedro Álvarez y James Tour, Chung desarrolló un método para descomponer térmicamente los PFAS capturados en el material LDH. Al calentar el material saturado con carbonato de calcio, el equipo eliminó más de la mitad de los PFAS atrapados sin liberar subproductos tóxicos. Sorprendentemente, el proceso también regeneró el LDH, lo que permitió su reutilización en múltiples ocasiones. Estudios preliminares demostraron que el material podría completar al menos seis ciclos completos de captura, destrucción y renovación, lo que lo convierte en el primer sistema ecológico y sostenible conocido para la eliminación de PFAS.
“Nos entusiasma el potencial de esta tecnología única basada en LDH para transformar el tratamiento de las fuentes de agua contaminadas con PFAS en un futuro próximo”, afirmó Wong. “Es el resultado de una extraordinaria colaboración internacional y de la creatividad de jóvenes investigadores”.
Fuente: Phys.org.