Daisuke Minakata con estudiantes en su laboratorio. Los intereses de investigación de Minakata incluyen el desarrollo de herramientas informáticas para tecnologías de tratamiento de agua y aguas residuales. Crédito:Universidad Tecnológica de Michigan
Una nueva herramienta computacional desarrollada en la Universidad Tecnológica de Michigan ayuda en la búsqueda urgente de eliminar los químicos persistentes conocidos como PFAS de los suministros de agua de la comunidad.
Debido a sus propiedades únicas, las sustancias de perfluoroalquilo y polifluoroalquilo (PFAS) se usan en todas partes en la vida diaria, desde ropa repelente al agua y utensilios de cocina antiadherentes hasta cajas de pizza, cera para esquís, envoltorios de comida rápida y espuma contra incendios.
"Los PFAS contienen un enlace carbono-flúor muy fuerte, que no se degrada fácilmente con las actividades biológicas", dijo Daisuke Minakata, profesor asociado de ingeniería civil, ambiental y geoespacial. "Los PFAS pueden permanecer en el medio ambiente casi para siempre; por lo tanto, se les llama 'los productos químicos para siempre'". Terminan contaminando nuestras aguas subterráneas y superficiales, nuestras vías fluviales y, finalmente, también nuestra agua potable y nuestros sistemas ecológicos, incluidos los peces de agua dulce".
Las industrias químicas fabrican PFAS con diferentes propiedades para productos comerciales específicos; hay aproximadamente 4000-5000 tipos conocidos. Si bien los impactos toxicológicos aún se desconocen en gran medida, los PFAS son potencialmente cancerígenos, dijo Minakata. Se han encontrado pequeñas concentraciones de PFAS en el torrente sanguíneo humano. Como resultado, el estado de Michigan y la Agencia de Protección Ambiental de los EE. UU. (EPA) recientemente comenzaron a regular los niveles de varios tipos de PFAS bajo la Ley de Agua Potable Segura.
Responder a las PFAS detectadas en el agua es un desafío para las comunidades de Michigan y otros lugares. "Algunas autoridades del agua ya han localizado la fuente de contaminación por PFAS en su agua potable", dijo Minakata. "Es un comienzo. Sin embargo, debido a las restricciones presupuestarias que enfrentan muchos gobiernos locales, simplemente no pueden permitirse emplear tecnologías avanzadas de tratamiento de agua para eliminar el PFAS".
El costo no es la única barrera. "Las autoridades locales del agua están luchando por implementar las tecnologías disponibles para eliminar las PFAS de las fuentes de agua", dijo Minakata. "Las tecnologías actuales, como la adsorción de carbón activado granular y el intercambio de iones, ofrecen solo una transferencia de fase de PFAS del agua a los medios de carbón, que luego requieren regeneración y reemplazo". Otra preocupación:"La adsorción basada en carbono funciona para PFAS de cadena más larga, pero ahora se están eliminando gradualmente del mercado", dijo. "Están siendo reemplazados por PFAS de cadena más pequeña. Los PFAS de cadena más pequeña tienen menos problemas toxicológicos, pero no se eliminan bien por adsorción".
Y, hay otro problema. "La mayoría de las tecnologías de remediación actualmente disponibles en realidad no destruyen PFAS", dijo Minakata. "En cambio, estas tecnologías transfieren PFAS de una fase a otra. Se implementan convenientemente para cumplir con las nuevas regulaciones de la EPA. Pero va a resultar contraproducente. A menos que destruyamos por completo la estructura de PFAS, estamos obligados a encontrar más grandes, más problemas fundamentales."
Minakata cree que el PFAS terminará en las aguas residuales y los lixiviados de vertederos como resultado de las tecnologías de remediación actuales de PFAS, aunque en concentraciones muy bajas. "Luego, las PFAS se transportarán de regreso al medio ambiente a través de la evaporación, la deposición atmosférica y los biosólidos. Los biosólidos reciclados luego se pueden usar en la agricultura, por lo que las PFAS eventualmente podrían contaminar los cultivos alimentarios", dijo.
Una nueva herramienta computacional para la reducción avanzada
Aun así, Minakata ve una luz al final del túnel PFAS. Su grupo de investigación publicó recientemente un artículo que describe una nueva herramienta computacional PFAS, "Reactividades de electrones hidratados con compuestos orgánicos en procesos de reducción avanzada en fase acuosa" en la revista de la Royal Society of Chemistry Environmental Science:Water Research &Technology.
Minakata y la estudiante graduada de Michigan Tech Rose Daily, becaria de investigación graduada en ingeniería ambiental de la Fundación Nacional de Ciencias, utilizaron la ciencia de datos y la química computacional para estudiar cientos de productos químicos orgánicos estructuralmente diversos para predecir las reactividades de PFAS.
"Nuestros métodos se pueden ampliar y utilizar para detectar miles de PFAS", dice Minakata. "La clave es comprender las reactividades de los electrones solvatados con productos químicos orgánicos y PFAS. Con ese conocimiento, puede detectar una gran cantidad de contaminantes de PFAS y priorizarlos para la aplicación de procesos de reducción avanzados para degradar y, con suerte, destruir por completo el PFAS".
Los hallazgos de la investigación de Minakata también se pueden usar para fortalecer y mejorar las aplicaciones actuales de remediación de PFAS, incluidas las técnicas de oxidación electroquímica.
Investigación fundamental:Reactividades de electrones
"He estudiado la oxidación de contaminantes orgánicos en agua y aguas residuales durante 20 años", dijo Minakata. "Cada PFAS es muy singular y muchas son formas oxidadas; por lo tanto, la oxidación no destruye bien las PFAS". Los investigadores de todo el mundo ahora están buscando tecnologías de reducción que se basen en electrones, dijo.
"La reducción electroquímica usando electrones es una tecnología con resultados prometedores. Los investigadores ahora están trabajando en los materiales de los electrodos y el diseño del reactor para mejorar la eficiencia de la aplicación en el mundo real. Es aquí donde mi investigación fundamental puede proporcionar información valiosa sobre las reactividades de los electrones que, hasta hasta ahora, no han sido bien entendidos".
Enfoque sugerido:apuntar a las mayores concentraciones de PFAS
Obtenga el PFAS donde sea más frecuente, dice Minakata. "En lugar de enfocarse en concentraciones extremadamente bajas de PFAS en el agua, la investigación y la remediación deben identificar y enfocarse en los puntos donde las concentraciones de PFAS son relativamente altas", dijo. "Esa sería una forma mucho mejor de destruir las PFAS de manera económica, eficaz y eficiente".
A continuación, Minakata y sus colaboradores planean estudiar la distribución física de PFAS. "Queremos buscar puntos críticos de PFAS, lugares donde podamos aplicar estas tecnologías prometedoras, para destruir grandes cantidades de PFAS al mismo tiempo".
PFAS presenta problemas de justicia ambiental, señaló Minakata, cuya investigación en este campo cuenta con el apoyo parcial de Central Chemicals. "En lugar de encubrir los problemas de PFAS, como poner pequeñas curitas en lesiones graves, los ingenieros ambientales debemos abordar y resolver el problema fundamental de PFAS en colaboración con científicos, industrias, comunidades y legisladores", afirmó. La mayoría de las mascarillas no exponen a los usuarios a niveles nocivos de PFAS, según un estudio
