Un equipo de investigadores ha desarrollado un sistema químico que utiliza luz para romper los enlaces entre los átomos de carbono y flúor en los PFAS
Arindam Sau, University of Colorado Boulder; Mihai Popescu, Colorado State University y Xin Liu, Colorado State University
Las sustancias perfluoroalquiladas y polifluoroalquiladas, o PFAS, han ganado el apodo de químicos eternos debido a su extraordinaria capacidad para permanecer en el medio ambiente mucho tiempo después de haber sido utilizadas.
Estos compuestos sintéticos, comúnmente utilizados en productos de consumo y aplicaciones industriales por sus propiedades resistentes al agua y la grasa, ahora se encuentran prácticamente en todas partes en el medio ambiente.
Mientras que muchos químicos se degradan relativamente rápido tras su eliminación, los PFAS pueden persistir hasta 1.000 años. Esta durabilidad es excelente para su uso en espumas contra incendios, utensilios de cocina antiadherentes, ropa impermeable e incluso envases de alimentos.
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Sin embargo, su resistencia significa que persisten en el suelo, el agua e incluso en organismos vivos. Pueden acumularse con el tiempo y afectar la salud tanto de los ecosistemas como de los humanos.
Algunas investigaciones iniciales han mostrado posibles vínculos entre la exposición a los PFAS y diversos problemas de salud, incluidos cánceres, supresión del sistema inmunológico y alteraciones hormonales. Estas preocupaciones han llevado a los científicos a buscar formas efectivas de descomponer estos químicos persistentes.
Somos un equipo de investigadores que desarrolló un sistema químico que utiliza luz para romper los enlaces entre los átomos de carbono y flúor. Estos enlaces químicos fuertes ayudan a los PFAS a resistir la degradación. Publicamos este trabajo en Nature en noviembre de 2024, y esperamos que esta técnica pueda ayudar a abordar la contaminación generalizada que causan estas sustancias.
Por qué los compuestos PFAS son tan difíciles de descomponer
Los compuestos PFAS tienen enlaces carbono-flúor, uno de los más fuertes en química. Estos enlaces hacen que los PFAS sean increíblemente estables. Resisten los procesos de degradación que normalmente descomponen los químicos industriales – incluyendo la hidrólisis, la oxidación y la descomposición microbiana.
Bert.Kilanowski/Wikimedia Commons
Los métodos convencionales de tratamiento de agua pueden eliminar los PFAS del agua, pero estos procesos solo concentran los contaminantes en lugar de destruirlos. Los materiales resultantes cargados de PFAS generalmente se envían a vertederos. Una vez desechados, aún pueden filtrarse de nuevo al medio ambiente.
Los métodos actuales para romper los enlaces carbono-flúor dependen del uso de metales y de temperaturas muy altas. Por ejemplo, el platino puede ser utilizado para este propósito. Esta dependencia hace que estos métodos sean costosos, intensivos en energía y difíciles de usar a gran escala.
Cómo funciona nuestro nuevo sistema fotocatalítico
El nuevo método que desarrollamos utiliza un fotocatalizador puramente orgánico. Un fotocatalizador es una sustancia que acelera una reacción química utilizando luz, sin consumirse en el proceso. Nuestro sistema aprovecha la energía de LEDs azules económicos para impulsar un conjunto de reacciones químicas.
Después de absorber luz, el fotocatalizador transfiere electrones a las moléculas que contienen flúor, lo que rompe los enlaces carbono-flúor resistentes.
Al atacar y desmantelar directamente la estructura molecular de los PFAS, los sistemas fotocatalíticos como el nuestro tienen el potencial de mineralización completa. La mineralización completa es un proceso que transforma estos químicos dañinos en productos finales inofensivos, como hidrocarburos e iones de flúor, que se degradan fácilmente en el medio ambiente. Los productos degradados pueden ser reabsorbidos de manera segura por las plantas.
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Aplicaciones potenciales y beneficios
Uno de los aspectos más prometedores de este nuevo sistema fotocatalítico es su simplicidad. La configuración es esencialmente un pequeño frasco iluminado por dos LEDs, con dos pequeños ventiladores añadidos para mantenerlo fresco durante el proceso. Opera bajo condiciones moderadas y no utiliza metales, que son a menudo peligrosos de manejar y a veces pueden ser explosivos.
La dependencia del sistema en la luz – una fuente de energía fácilmente disponible y renovable – podría hacerlo económicamente viable y sostenible. A medida que lo perfeccionemos, esperamos que algún día pueda operar con un aporte energético mínimo, aparte de la energía necesaria para la luz.
Esta plataforma también puede transformar otras moléculas orgánicas que contienen enlaces carbono-flúor en productos químicos valiosos. Por ejemplo, miles de fluoroarenos están disponibles comúnmente como productos químicos industriales y reactivos de laboratorio. Estos pueden transformarse en bloques de construcción para fabricar una variedad de otros materiales, incluidos medicamentos y productos cotidianos.
Desafíos y futuras direcciones
Aunque este nuevo sistema muestra potencial, quedan desafíos. Actualmente, podemos degradar los PFAS solo a pequeña escala. Aunque nuestra configuración experimental es efectiva, requerirá una ampliación sustancial para abordar el problema de los PFAS a un nivel mayor. Además, las moléculas grandes con cientos de enlaces carbono-flúor, como el Teflón, no se disuelven en el solvente que usamos para estas reacciones, incluso a altas temperaturas.
Como resultado, el sistema actualmente no puede descomponer estos materiales, y necesitamos realizar más investigaciones.
También queremos mejorar la estabilidad a largo plazo de estos catalizadores. En este momento, estos fotocatalizadores orgánicos se degradan con el tiempo, especialmente cuando están bajo iluminación LED constante. Por lo tanto, diseñar catalizadores que conserven su eficiencia a largo plazo será esencial para su uso práctico a gran escala. Desarrollar métodos para regenerar o reciclar estos catalizadores sin perder rendimiento también será clave para ampliar esta tecnología.
Con nuestros colegas en el Centro de Fotocatálisis Sustentable, planeamos seguir trabajando en la catálisis impulsada por luz, con el objetivo de descubrir más reacciones impulsadas por luz que resuelvan problemas prácticos. SuPRCat es un Centro de Innovación Química financiado por la Fundación Nacional de Ciencias. Los equipos allí están trabajando para desarrollar reacciones para una fabricación química más sostenible.
El objetivo final es crear un sistema que pueda eliminar los contaminantes PFAS del agua potable en las plantas de purificación, pero eso aún está lejos. También nos gustaría utilizar esta tecnología algún día para limpiar suelos contaminados con PFAS, haciéndolos seguros para la agricultura y restaurando su papel en el medio ambiente.
Arindam Sau, Candidato a Doctorado en Química, University of Colorado Boulder; Mihai Popescu, Investigador Postdoctoral en Química, Colorado State University y Xin Liu, Investigador Postdoctoral en Química, Colorado State University
Este artículo se republica de The Conversation bajo una licencia Creative Commons. Lea el artículo original.