Los investigadores han desarrollado un nuevo material a base de biocarbón que puede mejorar significativamente la eliminación de PFOS al capturar contaminantes residuales del agua y descomponerlos mediante luz ultravioleta.
Esta tecnología aborda uno de los mayores desafíos en el procesamiento de sustancias perfluoroalquiladas y polifluoroalquiladas (PFAS), que son notoriamente resistentes a los métodos de procesamiento tradicionales.
El estudio, publicado en la revista Biochar, fue dirigido por investigadores de la Universidad de Jinan y la Universidad Estatal de San Diego.
El material recientemente desarrollado por la compañía, conocido como Ga₂O₃@biochar, combina adsorción y degradación fotocatalítica, lo que permite que el ácido perfluorooctano sulfónico (PFOS) se concentre en su superficie antes de que una reacción química inducida por la luz destruya muchos de los contaminantes.
Las pruebas de laboratorio han demostrado resultados impresionantes: este material elimina más del 99 % del PFOS del agua en 30 minutos.
Después de la exposición a los rayos UV, más del 80 % del PFOS capturado se degradó y más del 70 % de sus enlaces carbono-flúor se rompieron, lo que destaca su potencial como enfoque más sostenible para la eliminación de PFOS.
Nuevas estrategias para abordar la contaminación por PFAS
El PFOS es uno de los miembros más persistentes de la familia de los PFAS y a veces se le conoce como el “químico eterno” debido a su excelente estabilidad química.
Estos compuestos se han detectado en aguas subterráneas, ríos y suministros de agua potable en todo el mundo y plantean un problema ambiental a largo plazo.
Aunque muchos métodos de tratamiento existentes pueden extraer PFOS del agua contaminada, simplemente transfieren los contaminantes a otra corriente de desechos que aún requiere eliminación o tratamiento adicional.
El material biocarbón Ga₂O₃@ recientemente desarrollado tiene como objetivo superar esta limitación integrando la captura de contaminantes y la destrucción química en un solo proceso.
El equipo de investigación creó el material compuesto incorporando β-Ga₂O₃, un fotocatalizador semiconductor duradero, en biocarbón poroso producido a partir de paja de trigo.
Esta combinación proporciona una gran superficie para la adsorción y al mismo tiempo permite que la radiación UV inicie reacciones que descomponen las moléculas concentradas de PFOS.
La estructura diseñada mejora la eliminación de PFOS
Los investigadores evaluaron varias composiciones de materiales y descubrieron que el biocarbón con un 1 % de galio tenía el rendimiento general más sólido.
La adición de β-Ga2O3 cambió tanto la estructura de los poros como las propiedades electrónicas del biocarbón. Este compuesto exhibió una mesoporosidad más grande, una absorción óptica mejorada, una banda prohibida electrónica más estrecha y una separación más eficiente de los portadores de carga generados durante la fotocatálisis.
Estas mejoras estructurales se tradujeron directamente en una mayor eficiencia del tratamiento. En condiciones de prueba, el material absorbió rápidamente el PFOS antes de que la irradiación UV provocara una degradación extensa del contaminante.
El modelado computacional utilizando la teoría funcional de la densidad también ayudó a explicar la mejora del rendimiento. Las simulaciones mostraron una transferencia eficiente de electrones entre el biocarbón y el β-Ga2O3, lo que redujo la recombinación de carga y mejoró la actividad fotocatalítica.
Los experimentos de laboratorio confirmaron que los electrones fotogenerados, los radicales superóxido y el oxígeno singlete son las principales especies reactivas involucradas en la descomposición del PFOS.
Regenerar materiales durante el procesamiento.
En este estudio, encontramos que la degradación del PFOS sigue un proceso gradual de acortamiento de la cadena. A la reacción de desulfonación inicial le siguió la descarboxilación y la desfluoración gradual, que desmantelaron constantemente la estructura molecular altamente estable.
Una ventaja adicional de este proceso es que el adsorbente se regenera simultáneamente mediante descomposición fotocatalítica.
En lugar de depender de métodos de regeneración química que generan desechos secundarios, los materiales se pueden reutilizar durante múltiples ciclos de tratamiento después de la exposición a los rayos UV.
Posibilidades de tratamiento de agua en el mundo real
Los investigadores también evaluaron el material utilizando muestras reales de agua subterránea. Aunque la eficiencia del tratamiento sigue siendo prometedora, los compuestos naturales en las aguas ambientales influyen en el rendimiento general, lo que indica que la química del agua específica de la región requiere más investigación.
Las investigaciones futuras se centrarán en evaluar los subproductos de la degradación, evaluar el desempeño económico y ambiental a mayor escala y adaptar la tecnología para tratar una gama más amplia de compuestos de PFAS.
Si se desarrolla con éxito para aplicaciones comerciales, el enfoque combinado de adsorción y descomposición podría representar un paso importante más allá de las técnicas de separación tradicionales, proporcionando potencialmente una solución más completa para la eliminación de PFOS y al mismo tiempo reduciendo la carga ambiental asociada con la gestión de desechos concentrados de PFAS.
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