Una nueva tecnología elimina químicos peligrosos con rapidez y eficiencia

Un equipo de investigación de la Universidad de Rice, en colaboración con expertos internacionales, creó una tecnología ecológica capaz de atrapar y descomponer rápidamente los peligrosos "químicos eternos" (PFAS) presentes en el agua. Los resultados, publicados recientemente en la revista Advanced Materials, representan un avance significativo en la lucha contra una de las amenazas de contaminación más persistentes a nivel mundial.

El proyecto fue liderado por Youngkun Chung, un investigador postdoctoral bajo la mentoría de Michael S. Wong, profesor en la Escuela de Ingeniería y Computación George R. Brown de Rice. También participaron Seoktae Kang, profesor en el Instituto Avanzado de Ciencia y Tecnología de Corea (KAIST), y Keon-Ham Kim, profesor en la Universidad Nacional Pukyung de Corea del Sur.

¿Qué son los PFAS y por qué son un problema?

Los PFAS, que significan sustancias perfluoroalquiladas y polifluoroalquiladas, son químicos sintéticos que se utilizan desde la década de 1940 en productos cotidianos como sartenes antiadherentes, ropa impermeable y algunos empaques de alimentos. Su popularidad se debe a su resistencia al calor, la grasa y el agua, pero esta misma durabilidad implica que se descomponen muy lentamente, de ahí su apodo de "químicos eternos".

Estos compuestos se han dispersado ampliamente y se encuentran en el agua, el suelo y el aire en todo el mundo. La investigación ha vinculado la exposición a PFAS con daños hepáticos, trastornos reproductivos, alteraciones del sistema inmunológico y ciertos tipos de cáncer. La limpieza de estos químicos ha sido complicada, ya que una vez que ingresan al medio ambiente, son difíciles de eliminar y aún más difíciles de destruir.

Limitaciones de los métodos actuales de eliminación de PFAS

Los métodos convencionales suelen basarse en la adsorción, donde los químicos se adhieren a materiales como carbón activado o resinas de intercambio iónico. Aunque son comunes, estos enfoques presentan limitaciones significativas, como baja eficiencia, operación lenta, capacidad limitada y la acumulación de residuos contaminados que aún deben ser gestionados.

"Los métodos actuales para la eliminación de PFAS son demasiado lentos, ineficientes y generan residuos secundarios", afirmó Wong, profesor de Nanotecnología Molecular y de ingeniería química y biomolecular. "Nuestro nuevo enfoque ofrece una alternativa sostenible y altamente efectiva".

El material innovador LDH que funciona rápidamente

La nueva tecnología se basa en un material de hidróxido doble laminar (LDH) hecho de cobre y aluminio. Kim identificó este tipo de material mientras era estudiante de posgrado en KAIST en 2021. A medida que el equipo exploró más estos compuestos, Chung descubrió que una versión específica que contenía nitrato podía adsorber PFAS con un rendimiento inusualmente alto.

"Para mi asombro, este compuesto LDH capturó PFAS más de 1,000 veces mejor que otros materiales", comentó Chung, autor principal del estudio y ahora investigador en el Instituto WaTER de Rice. "También funcionó increíblemente rápido, eliminando grandes cantidades de PFAS en minutos, aproximadamente 100 veces más rápido que los filtros de carbón comerciales".

Los investigadores atribuyen estos resultados impresionantes al diseño interno del material. Sus capas ordenadas de cobre y aluminio, junto con pequeños desequilibrios de carga, crean una superficie altamente favorable donde las moléculas de PFAS pueden unirse rápida y fuertemente.

Pruebas en agua de río, agua potable y aguas residuales

Para evaluar el rendimiento del sistema fuera del laboratorio, el equipo probó el material LDH en agua de río, agua potable y aguas residuales. En los tres casos, se mantuvo altamente efectivo. También funcionó bien tanto en pruebas estáticas como en configuraciones de flujo continuo, lo que sugiere su posible uso en sistemas de tratamiento de agua municipales y limpieza industrial.

Cerrando el ciclo con destrucción y reutilización de PFAS

Atrapar PFAS es solo la mitad de la batalla, ya que los químicos aún necesitan ser destruidos de manera segura. Trabajando con los profesores de Rice Pedro Alvarez y James Tour, Chung desarrolló un proceso para descomponer térmicamente los PFAS después de ser capturados en el material LDH. Cuando el material cargado de PFAS se calentó con carbonato de calcio, los investigadores eliminaron más de la mitad de los PFAS atrapados sin liberar subproductos tóxicos. Este mismo paso también regeneró el LDH, permitiendo su reutilización.

Las pruebas iniciales mostraron que el material podría pasar por al menos seis ciclos completos de captura, destrucción y renovación. Esto lo convierte en el primer sistema ecológico y sostenible conocido para la eliminación de PFAS que combina una limpieza rápida con reutilización repetida.

Colaboración internacional y apoyo a la investigación

"Estamos entusiasmados con el potencial de esta tecnología basada en LDH para transformar cómo se tratan las fuentes de agua contaminadas con PFAS en un futuro cercano", afirmó Wong. "Es el resultado de una extraordinaria colaboración internacional y la creatividad de jóvenes investigadores".

Una lista de todos los investigadores involucrados en este estudio y sus afiliaciones institucionales se puede encontrar en el artículo original. Esta investigación fue apoyada por el Programa de Investigación en Ciencias Básicas a través de la Fundación Nacional de Investigación de Corea, financiada por el Ministerio de Educación, entre otros fondos.

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