En pocas palabras
Un equipo de investigación creó un filtro que atrapa seis contaminantes difíciles de eliminar del agua y ayuda a descomponerlos, en vez de limitarse a juntarlos en otros residuos. En una prueba continua de 58 días, retiró hasta el 96 % de los contaminantes y logró transformar parte de ellos. Todavía hace falta mejorar el sistema, sobre todo porque utiliza paladio, un metal costoso.
Del problema de separar los contaminantes al reto de descomponerlos
El grupo de sustancias PFAS incluye compuestos con enlaces entre átomos de carbono y flúor. Esos enlaces son muy resistentes, lo que hace difícil descomponer las sustancias con los tratamientos convencionales. Por esa razón, a veces se las llama «sustancias eternas»: no significa que jamás puedan cambiar, sino que su resistencia a degradarse vuelve complejo eliminarlas.
Tecnologías como el carbón activado, el intercambio iónico y la filtración por membranas pueden retirar PFAS del agua. Pero sacar un contaminante del líquido no significa necesariamente destruirlo: puede quedar concentrado en un material usado o en una corriente de residuos que luego habrá que tratar. Así, una tecnología puede reducir la contaminación del agua en un lugar y, al mismo tiempo, dejar un residuo contaminado que debe recogerse, almacenarse o someterse a un tratamiento adicional.
La nueva propuesta busca que la membrana sea algo más que una barrera para separar los contaminantes del agua. Su superficie atrae y captura los compuestos y, además, sostiene un catalizador químico que facilita la reacción del hidrógeno activo con ellos. El proceso de retirar átomos de flúor de las moléculas con ayuda del hidrógeno se conoce como desfluoración por hidrogenación. El objetivo es ir más allá de trasladar las PFAS de un lugar a otro.
Fibras diminutas que reúnen el contaminante y el hidrógeno
El sistema está formado por fibras de membrana recubiertas de paladio, un metal que actúa como catalizador. Se hace pasar gas hidrógeno a través de las fibras hasta que llega a la capa de paladio. Allí se generan dos formas de hidrógeno activo. Aunque ocupan lugares distintos y cumplen funciones diferentes dentro del material, ambas participan en el tratamiento de los contaminantes.
La primera forma se encuentra en la superficie del paladio y ayuda a atraer las PFAS y mantenerlas cerca del sitio donde ocurre la reacción. La segunda penetra en el paladio y queda almacenada como hidruro de paladio en fase beta. Esa reserva contribuye a impulsar las reacciones de desfluoración. De este modo, el sistema no depende únicamente de que el contaminante pase junto al catalizador: reúne el contaminante y el hidrógeno en una misma zona de la superficie y aprovecha también el hidrógeno almacenado dentro del metal.
En términos sencillos, la idea se parece a instalar una pequeña estación de trabajo en las fibras de la membrana: la superficie atrae las moléculas que se quieren tratar, el hidrógeno llega hasta ellas y la reacción química ocurre cerca del punto donde se encuentran. Sin embargo, la comparación no significa que todas las moléculas que pasan por ahí se descompongan en la misma medida. Los resultados variaron entre los compuestos, y los porcentajes de eliminación y desfluoración no fueron iguales.
Para averiguar qué sucedía dentro del material, el equipo realizó análisis de estado sólido. Los resultados mostraron que se formaba hidruro de paladio y detectaron una expansión de la estructura cristalina del paladio asociada al almacenamiento de hidrógeno. Estas observaciones ayudan a entender cómo se genera y se almacena el hidrógeno activo y cómo se utiliza dentro de la membrana; así, el análisis va más allá de medir cuánto contaminante desapareció del agua.
Seis compuestos puestos a prueba durante 58 días
Los investigadores probaron la membrana con seis compuestos de interés regulatorio: PFOA, PFOS, PFNA, PFHxS y PFBS, además de GenX. El sistema funcionó de manera continua durante 58 días. En la prueba, la eliminación de los contaminantes estudiados llegó al 96 % en el mejor resultado, mientras que la desfluoración alcanzó el 83 %.
Las dos cifras describen etapas distintas del tratamiento. La eliminación mide cuánto contaminante dejó de detectarse en el agua a la salida, según las mediciones del experimento. La desfluoración, en cambio, indica si se produjo el cambio químico dirigido a romper los enlaces entre el carbono y el flúor. Por eso, el porcentaje de eliminación no debe interpretarse como si todo lo retirado del agua se hubiera descompuesto por completo. La otra cifra aporta información sobre el grado de transformación química alcanzado.
Los porcentajes máximos tampoco garantizan que los seis compuestos hayan dado el mismo resultado. El rendimiento de la membrana dependió de la estructura de cada molécula. Las PFAS de cadena larga se eliminaron y desfluoraron más rápido que sus equivalentes de cadena corta. Esta diferencia importa al pensar en el tratamiento de aguas que contienen mezclas de contaminantes: una mezcla no necesariamente se comporta como una sola sustancia frente a la membrana.
¿Por qué GenX resultó más resistente?
GenX fue más difícil de tratar que los otros compuestos probados, pero la membrana sí logró actuar sobre él: permitió eliminarlo y desfluorarlo, y el proceso produjo ácido 2-propoxipropanoico. Este resultado muestra que el éxito de una tecnología no depende solo de que haya o no una respuesta. También importa la rapidez de la reacción y cuánto logra transformar en cada sustancia.
Los investigadores atribuyeron la resistencia de GenX a varias características. El compuesto contiene un enlace de tipo éter, se adhiere menos a la superficie del paladio que otros compuestos y, en promedio, requiere más energía para romper sus enlaces entre carbono y flúor. Si una molécula se atrae menos a la superficie del catalizador, puede haber menos cantidad cerca de los sitios donde ocurre la reacción. Y si sus enlaces son más difíciles de romper, descomponerlos supone un reto mayor. Estos factores ayudan a explicar por qué los resultados varían entre compuestos, aunque ninguno por sí solo explica necesariamente todas las diferencias.
La comparación entre las PFAS de cadena larga y las de cadena corta, así como con GenX, muestra que el diseño de los tratamientos debe tener en cuenta qué contaminante es cada uno, en lugar de agrupar todas las sustancias bajo el nombre general de PFAS. La composición química de cada compuesto puede influir tanto en su afinidad por la membrana como en la facilidad con que pierde el flúor. Por eso, el experimento demuestra que el método funciona con seis compuestos, pero no prueba automáticamente que vaya a rendir igual con todas las sustancias de este amplio grupo.
¿Qué hace diferente a este método?
La importancia del sistema está en que combina la captura de contaminantes y su transformación química en una sola plataforma. En muchos procesos de separación, el objetivo principal es sacar el contaminante del agua, pero sigue siendo necesario tratar el material que lo retuvo. La membrana catalítica busca que la reacción ocurra en la misma superficie que captura las PFAS, aprovechando la interacción del paladio con ellas y con el hidrógeno.
Según la descripción del estudio, el sistema funciona en condiciones ambientales, a diferencia de algunas soluciones que pueden necesitar condiciones de operación más exigentes. Sin embargo, ese dato por sí solo no permite determinar cuánto costaría operarlo ni qué tan fácil sería ampliarlo. Para una aplicación real hacen falta otros cálculos de ingeniería y operación que no se incluyen en los resultados presentados. Además, la prueba de 58 días fue prolongada en el contexto del estudio, pero no demuestra por sí sola que el rendimiento vaya a mantenerse en todo tipo de agua o durante periodos más largos.
La investigación fue dirigida por Bruce Rittmann, director del Center for Environmental Biotechnology del Biodesign Institute en Arizona State University. También participaron investigadores de Rice University, Tongji University, National University of Singapore y Nanjing University. El estudio se publicó en Proceedings of the National Academy of Sciences y abordó el desarrollo de membranas catalíticas que utilizan hidrógeno activo para capturar seis compuestos PFAS y retirarles flúor.
Del laboratorio a las corrientes de residuos concentrados
El equipo no presenta la membrana como un reemplazo inmediato de todas las tecnologías actuales para retirar PFAS. Una posible aplicación sería tratar las corrientes de residuos concentrados que generan algunos sistemas de tratamiento existentes. En ese caso, la nueva tecnología podría procesar un líquido o unos residuos donde ya se acumularon los contaminantes, en vez de intentar sustituir de una sola vez todas las etapas de los sistemas actuales.
Pero hay un obstáculo práctico evidente: el paladio es costoso. Por eso, una parte importante del desarrollo consistirá en reducir la cantidad de metal necesaria sin perder eficacia para capturar y transformar los contaminantes. Los resultados obtenidos en experimentos no bastan para determinar si la tecnología sería adecuada para un uso extendido. También hay que considerar si la cantidad de catalizador, el costo de operación y el tratamiento de los productos resultantes son razonables para la aplicación prevista.
Los investigadores también trabajan en el desarrollo de membranas híbridas que combinen paladio con bacterias capaces de descomponer contaminantes. Sin embargo, esa propuesta es una línea de investigación relacionada, no una descripción del sistema probado en este estudio. La membrana que alcanzó resultados durante 58 días se basa en paladio e hidrógeno, no en microorganismos. Es importante distinguir ambos enfoques para no atribuir al experimento actual resultados de componentes que no formaron parte de él.
Conclusión
Las membranas recubiertas de paladio ofrecen una nueva manera de tratar las PFAS: retirar los compuestos del agua y, a la vez, intentar romper sus enlaces químicos, en lugar de limitarse a concentrarlos en otros residuos. En una prueba de 58 días con seis compuestos, incluido GenX, la eliminación llegó al 96 % y la desfluoración alcanzó el 83 %. El rendimiento varió según la estructura de cada sustancia: las de cadena larga se trataron más rápido, mientras que GenX fue más resistente, aunque el proceso produjo ácido 2-propoxipropanoico. Para llevar el sistema a aplicaciones reales será necesario reducir el uso de paladio y evaluar dónde puede funcionar mejor, por ejemplo, en corrientes de residuos concentrados. Los resultados son prometedores, pero todavía no constituyen una solución definitiva para todas las formas de contaminación del agua por PFAS.