En el tratamiento del agua, la mayoría de los contaminantes siguen reglas bien conocidas. El metal puede precipitar. Las bacterias también se pueden esterilizar. Los contaminantes orgánicos a menudo pueden eliminarse mediante descomposición o filtración.
Los PFAS son diferentes de la mayoría de los contaminantes. Sus propiedades químicas inusuales lo hacen útil en productos de consumo, pero también muy difícil de eliminar del agua.
Durante la última década, la propagación de la contaminación por PFAS en las aguas subterráneas y el agua potable ha obligado a las empresas de servicios públicos y a los reguladores a afrontar cuestiones que no sólo son de salud pública sino también de física y química. Los ingenieros ahora saben cómo capturar muchos compuestos de PFAS. Lo que todavía les cuesta es hacerlo de manera eficiente, consistente y asequible.
En el centro del desafío se encuentran las estructuras moleculares que resisten los mismos procesos de los que normalmente dependen los sistemas de tratamiento de agua.
Un vínculo que se niega a romperse
La persistencia de las PFAS se debe a características químicas específicas: enlaces de carbono y flúor.
En las moléculas de PFAS, los átomos de carbono están rodeados por átomos de flúor, formando uno de los enlaces más fuertes de la química orgánica. El flúor es altamente electronegativo y atrae fuertemente los electrones hacia sí mismo. Los vínculos resultantes son cortos, estables y difíciles de romper.
Esta resistencia confiere a los PFAS su famosa durabilidad. También explica por qué se usó ampliamente en productos que necesitan repeler el agua, el aceite y el calor, como utensilios de cocina antiadherentes, espuma contra incendios, telas impermeables y revestimientos industriales.
Pero la misma resiliencia química que hace que los PFAS sean útiles en la fabricación los hace altamente resistentes al daño ambiental.
Muchas reacciones químicas que descomponen la luz solar, la actividad biológica y otros contaminantes tienen poco efecto sobre ellos. Como resultado, las PFAS liberadas al medio ambiente pueden persistir durante décadas, desplazándose a través del suelo y las aguas subterráneas y, en última instancia, ingresando a los suministros de agua potable.
Para los ingenieros hidráulicos, esa sostenibilidad significa que las estrategias de tratamiento tradicionales a menudo fracasan.
Por qué los tratamientos convencionales no son suficientes
La mayoría de las plantas de tratamiento de agua potable no se diseñaron teniendo en cuenta los PFAS. Sus procesos se centran principalmente en patógenos, sedimentos, nutrientes y materia orgánica natural.
Las técnicas comunes incluyen:
Coagulación y floculación para coagular y precipitar partículas Filtración para eliminar sólidos suspendidos Desinfección para matar microorganismos
Las PFAS pasan por casi todos estos pasos.
A diferencia de las partículas y los microorganismos, las moléculas de PFAS son tan pequeñas que siguen siendo solubles en agua. No se sedimentan fácilmente ni forman grandes agregados que puedan filtrarse. Tampoco se destruye fácilmente con desinfectantes como el cloro y el ozono.
Incluso las técnicas de tratamiento avanzadas utilizadas para otros contaminantes orgánicos, como la oxidación ultravioleta, a menudo no pueden descomponer los PFAS.
Como resultado, las empresas de servicios públicos recurrirán a una estrategia diferente para capturar las PFAS en lugar de destruirlas.
Adsorción: Captura de moléculas en una superficie.
Actualmente, el método más utilizado para eliminar las PFAS del agua potable es la adsorción.
En el proceso de adsorción, los contaminantes se adhieren a la superficie de otro material. Para la eliminación de PFAS, el adsorbente más común es el carbón activado granular (GAC). El GAC es una forma de carbono muy porosa con una enorme superficie interna.
Un gramo de carbón activado puede contener cientos de metros cuadrados de poros microscópicos. Cuando el agua contaminada pasa a través de un filtro de carbón, las moléculas de PFAS se adhieren a su superficie.
Esta atracción se produce porque la molécula de PFAS tiene dos regiones distintas.
Colas fluoradas hidrofóbicas que repelen el agua. Grupos de cabezas cargadas que interactúan con iones disueltos.
Estas propiedades permiten que las PFAS se unan a las superficies de carbono en condiciones apropiadas.
Sin embargo, la adsorción no es una solución perfecta.
problema de cadena corta
Uno de los mayores desafíos en la eliminación de PFAS es distinguir entre compuestos de cadena larga y de cadena corta.
Los primeros compuestos de PFAS, como el PFOA y el PFOS, contenían cadenas de carbono relativamente largas. Estas moléculas se unen con relativa fuerza al carbón activado, lo que las hace más fáciles de eliminar.
Sin embargo, en los últimos años, muchas industrias han optado por los PFAS de cadena corta, en parte como respuesta a la presión regulatoria sobre compuestos más antiguos.
Las PFAS de cadena corta se comportan de manera diferente.
Debido al pequeño número de átomos de carbono, las colas fluoradas interactúan menos fuertemente con la superficie del carbono. Como resultado, tiende a pasar más fácilmente por los filtros de carbón activado.
Para los operadores de tratamiento de agua, esto significa que deben reemplazar los filtros con más frecuencia o agregar pasos de tratamiento adicionales. Aún así, la eficiencia de la eliminación puede variar ampliamente.
Intercambio iónico: Intercambia contaminantes del agua.
Otro enfoque importante de tratamiento de PFAS utiliza resinas de intercambio iónico.
Estos materiales sintéticos contienen sitios cargados que atraen iones con cargas opuestas en el agua. A medida que las moléculas de PFAS pasan a través de la resina, los grupos de cabeza cargados negativamente se adhieren a la superficie de la resina y desplazan otros iones.
En algunos casos, los sistemas de intercambio iónico pueden eliminar las PFAS de forma más eficaz que el carbón activado, especialmente en el caso de compuestos de cadena corta.
Sin embargo, este proceso todavía tiene sus limitaciones.
Los iones que compiten en el agua pueden reducir la eficiencia. La resina eventualmente se satura y debe ser reemplazada. El proceso de regeneración crea un flujo de desechos concentrado de PFAS.
Al igual que la adsorción, el intercambio iónico no destruye las PFAS. Simplemente se concentra.
Enfoques de membrana y fuerza bruta.
Algunas empresas de servicios públicos utilizan ósmosis inversa (RO) o tecnología de membrana similar para eliminar los PFAS.
La ósmosis inversa fuerza el agua a alta presión a través de una membrana muy fina. La membrana permite el paso de las moléculas de agua y rechaza muchos contaminantes disueltos, incluidos los PFAS.
Los sistemas de ósmosis inversa pueden lograr eficiencias de eliminación muy altas (a menudo superiores al 90%).
Pero conllevan grandes compensaciones.
Los sistemas de membrana requieren una energía considerable para mantener la presión requerida. También produce un flujo de residuos concentrado que contiene contaminantes rechazados, conocidos como salmuera.
Esta salmuera debe eliminarse o procesarse más, trasladando efectivamente el problema de las PFAS a un flujo de desechos más pequeño pero más concentrado.
Química de moléculas rebeldes.
La dificultad para eliminar las PFAS va más allá del tamaño y el costo. También refleja cómo estas moléculas interactúan con el agua misma.
Las PFAS tienen propiedades anfifílicas inusuales. En otras palabras, las PFAS contienen componentes repelentes al agua y componentes que interactúan con el agua. Esta naturaleza dual les permite moverse fácilmente entre la superficie y el agua.
En muchos sentidos, los PFAS se comportan de manera similar a los surfactantes, el mismo tipo de químicos que se usan en jabones y detergentes. Tienden a acumularse en las interfaces entre el agua y otras sustancias.
Este comportamiento complica el tratamiento de varias maneras.
Los PFAS pueden adherirse a superficies dentro del sistema de tratamiento. Puede viajar largas distancias en aguas subterráneas sin descomponerse. La eficiencia de eliminación puede cambiar debido a interacciones con otros compuestos orgánicos en el agua.
Estos comportamientos plantean importantes incertidumbres para los ingenieros que diseñan sistemas de tratamiento confiables.
Desafío a la destrucción
La captura de PFAS es un problema. Destruirlos es otra cosa.
Debido a que los enlaces entre el carbono y el flúor son fuertes, se necesita mucha energía o condiciones químicas especiales para descomponer las moléculas de PFAS.
Los investigadores están considerando varios enfoques.
Oxidación electroquímica, que utiliza corriente eléctrica para generar especies reactivas; Reactor de plasma, que expone los PFAS a gases ionizantes de alta energía; Oxidación de agua supercrítica, donde el agua a temperaturas y presiones extremadamente altas puede descomponer moléculas resistivas; Reacciones fotoquímicas avanzadas, que combinan luz ultravioleta y catalizadores.
Algunas de estas tecnologías se han mostrado prometedoras en experimentos de laboratorio y sistemas piloto.
Sin embargo, ampliar el equipo para procesar millones de litros de agua potable cada día sigue siendo un desafío de ingeniería. El consumo de energía, el diseño de reactores y la producción de subproductos siguen siendo cuestiones abiertas.
objetivo en movimiento
La diversidad de compuestos de PFAS complica aún más la cuestión.
Los científicos estiman que hay miles de variantes de PFAS y, ocasionalmente, nuevas variantes ingresan al mercado a medida que los productos químicos más antiguos enfrentan regulación.
Cada compuesto tiene propiedades físicas y químicas ligeramente diferentes, como la longitud de la cadena, los grupos funcionales y el comportamiento ambiental.
Es posible que un sistema de tratamiento optimizado para un compuesto de PFAS no funcione igualmente bien para otro.
Esta variabilidad requiere que los ingenieros diseñen sistemas que puedan tratar simultáneamente una amplia gama de contaminantes, a menudo en condiciones cambiantes de la calidad del agua.
Ingeniería centrada en la química.
A pesar de estos desafíos, las empresas de servicios públicos de todo el mundo están ampliando sus sistemas de tratamiento de PFAS.
En las zonas afectadas por la contaminación ya están en funcionamiento filtros de carbón activado, sistemas de intercambio iónico y plantas de membranas. En muchos casos, estos sistemas pueden reducir las concentraciones de PFAS a niveles que cumplan con los nuevos estándares regulatorios.
Pero la solución tiene un costo.
Los sistemas de tratamiento requieren monitoreo continuo, cambios frecuentes de medios y eliminación cuidadosa de los contaminantes. Construir y operar instalaciones a gran escala puede costar decenas o incluso cientos de millones de dólares.
Para las comunidades más pequeñas, estos costos pueden ser difíciles de absorber.
Lecciones más profundas de las PFAS
La contaminación por PFAS pone de relieve una realidad más amplia en la ingeniería ambiental. La química de los compuestos industriales modernos puede superar a la infraestructura diseñada para gestionarlos.
Los sistemas de tratamiento de agua han evolucionado durante décadas para hacer frente a patógenos y contaminantes tradicionales. Debido a su excepcional estabilidad química, los PFAS desafían estos sistemas de maneras raramente vistas con otros contaminantes.
También se puede sacar del agua. Hacer esto de manera eficiente y sostenible sigue siendo un área de investigación activa.
Resulta que la cuestión de la eliminación de PFAS no es sólo una cuestión tecnológica. Se trata de la física y química básica de moléculas diseñadas para resistir las fuerzas que normalmente descomponen los contaminantes.
Estas propiedades moleculares, alguna vez apreciadas por su durabilidad, son precisamente lo que las hace tan difíciles de eliminar de los suministros de agua del mundo.
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