Los ingenieros químicos de la Universidad de Rice encontraron un catalizador eficiente para destruir los químicos PFAS "para siempre" donde menos lo esperaban.

"Fue el control, "dijo el profesor de Rice Michael Wong, refiriéndose a la parte de un experimento científico donde los investigadores no esperan sorpresas. El grupo de control es el criterio de la ciencia experimental, la línea de base por la cual se miden las variables.

"Aún no lo hemos probado a gran escala, pero en nuestras pruebas de laboratorio en el laboratorio, podríamos deshacernos del 99% del PFOA en cuatro horas, "Wong dijo sobre el nitruro de boro, el catalizador activado por luz con el que él y sus estudiantes tropezaron y pasaron más de un año probando.

Su estudio, que está disponible en línea en la revista American Chemical Society Cartas de ciencia y tecnología ambientales , encontraron que el nitruro de boro destruyó el PFOA (ácido perfluorooctanoico) a un ritmo más rápido que cualquier fotocatalizador informado anteriormente. El PFOA es uno de los PFAS (sustancias perfluoroalquilo y polifluoroalquilo) más prevalentes, una familia de más de 4, 000 compuestos desarrollados en el siglo XX para fabricar revestimientos para ropa impermeable, envasado de alimentos, sartenes antiadherentes y otros innumerables usos. Las PFAS han sido denominadas 'sustancias químicas permanentes' por su tendencia a permanecer en el medio ambiente, y los científicos los han encontrado en la sangre de prácticamente todos los estadounidenses, incluidos los recién nacidos.

Los catalizadores son la especialidad de Wong. Son compuestos que provocan reacciones químicas sin participar ni consumirse en esas reacciones. Su laboratorio ha creado catalizadores para destruir una serie de contaminantes, incluyendo TCE y nitratos, y dijo que le encargó a su equipo que encontrara nuevos catalizadores para abordar las PFAS hace unos 18 meses.

"Intentamos muchas cosas, "dijo Wong, presidente del Departamento de Ingeniería Química y Biomolecular de la Escuela de Ingeniería Brown de Rice. "Probamos varios materiales que pensé que iban a funcionar. Ninguno de ellos lo hizo. Se suponía que esto no iba a funcionar, y lo hizo ".

El catalizador, polvo de nitruro de boro, o BN, es un mineral sintético disponible comercialmente que se usa ampliamente en el maquillaje, Productos para el cuidado de la piel, pastas térmicas que enfrían chips de computadora y otros productos industriales y de consumo.

El descubrimiento comenzó con docenas de experimentos fallidos en catalizadores PFAS más probables. Wong dijo que le preguntó a dos miembros de su laboratorio, la estudiante graduada visitante Lijie Duan de la Universidad Tsinghua de China y el estudiante graduado de Rice Bo Wang, para hacer experimentos finales en un conjunto de compuestos candidatos antes de pasar a otros.

"Había literatura que sugería que uno de ellos podría ser un fotocatalizador, lo que significa que sería activado por luz de una longitud de onda particular, ", Dijo Wong." No usamos la luz muy a menudo en nuestro grupo, Pero yo dije, "Sigamos adelante y garabateamos con él". El sol es energía libre. Veamos qué podemos hacer con la luz ".

Como antes, ninguno de los grupos experimentales se desempeñó bien, pero Duan notó algo inusual con el control de nitruro de boro. Ella y Wang repitieron los experimentos en numerosas ocasiones para descartar errores inesperados. problemas con la preparación de la muestra y otras explicaciones del extraño resultado. Seguían viendo lo mismo.

"Aquí está la observación, ", Dijo Wong." Toma un frasco de agua que contiene algo de PFOA, arrojas tu polvo BN, y lo sellas. Eso es todo. No es necesario agregar hidrógeno ni purgarlo con oxígeno. Es solo el aire que respiramos el agua contaminada y el polvo BN. Expones eso a la luz ultravioleta, específicamente a la luz UV-C con una longitud de onda de 254 nanómetros, vuelve en cuatro horas, y el 99% del PFOA se ha transformado en fluoruro, dióxido de carbono e hidrógeno ".

El problema fue la luz. La longitud de onda de 254 nanómetros, que se usa comúnmente en lámparas germicidas, es demasiado pequeño para activar la banda prohibida en el nitruro de boro. Si bien eso era incuestionablemente cierto, los experimentos sugirieron que no podía ser.

"Si quitas la luz, no obtienes catálisis, "Dijo Wong." Si dejas de lado el polvo BN y solo usas la luz, no obtienes una reacción ".

Entonces, el nitruro de boro estaba absorbiendo claramente la luz y catalizando una reacción que destruyó el PFOA, a pesar de que debería haber sido ópticamente imposible que el nitruro de boro absorbiera luz UV-C de 254 nanómetros.

"No se supone que funcione, ", Dijo Wong." Es por eso que nadie pensó en buscar esto, y es por eso que tardamos tanto en publicar los resultados. Necesitábamos algún tipo de explicación para esta contradicción ".

Wong dijo que Duan, Wang y los coautores ofrecieron una explicación plausible en el estudio.

"Concluimos que nuestro material absorbe la luz de 254 nanómetros, y es por defectos atómicos en nuestro polvo, ", dijo." Los defectos cambian la banda prohibida. Lo encogen lo suficiente para que el polvo absorba la luz suficiente para crear las especies oxidantes reactivas que mastican el PFOA ".

Wong dijo que se necesitarán más pruebas experimentales para confirmar la explicación. Pero a la luz de los resultados con PFOA, se preguntó si el catalizador de nitruro de boro también funcionaría en otros compuestos de PFAS.

"Así que les pedí a mis alumnos que hicieran una cosa más, "Dijo Wong." Hice que reemplazaran el PFOA en las pruebas con GenX ".

GenX también es un químico permanente. Cuando se prohibió el PFOA, GenX fue uno de los productos químicos más utilizados para reemplazarlo. Y un creciente cuerpo de evidencia sugiere que GenX podría ser un problema ambiental tan grande como su predecesor.

"Es una historia similar a PFOA, "Dijo Wong." Están encontrando GenX en todas partes ahora. Pero una diferencia entre los dos es que la gente ha informado anteriormente de cierto éxito con los catalizadores para degradar el PFOA. No lo han hecho para GenX ".

Wong y sus colegas encontraron que el polvo de nitruro de boro también destruye GenX. Los resultados no fueron tan buenos como con el PFOA:con dos horas de exposición a luz de 254 nanómetros, BN destruyó aproximadamente el 20% de GenX en muestras de agua. Pero Wong dijo que el equipo tiene ideas sobre cómo mejorar el catalizador para GenX.

Dijo que el proyecto ya ha atraído la atención de varios socios industriales en el Centro de Investigación de Ingeniería de Nanosistemas para el Tratamiento de Agua con Nanotecnología (NEWT), con base en arroz. NEWT es un centro de investigación de ingeniería interdisciplinario financiado por la National Science Foundation para desarrollar sistemas de tratamiento de agua fuera de la red que protegen vidas humanas y apoyan el desarrollo económico sostenible.

"La investigación ha sido divertida, un verdadero esfuerzo en equipo, ", Dijo Wong." Hemos presentado patentes sobre esto, y el interés de NEWT en más pruebas y desarrollo de la tecnología es un gran voto de confianza ".