Las sustancias perfluoroalquiladas y polifluoroalquiladas, conocidas como PFAS, tienen un apodo desafortunado: «Forever Chemicals».
Esto suena dramático, pero desde una perspectiva de química e ingeniería, no está lejos de la verdad. Los PFAS son resistentes al calor, el agua, el aceite, la luz solar y la degradación biológica.
Estas propiedades lo han hecho comercialmente valioso durante décadas. Estas son también las razones por las que las PFAS son tan difíciles de eliminar del agua, el suelo y los flujos de desechos.
Actualmente, comunidades de todo el mundo están lidiando con la contaminación de los suministros de agua potable, las áreas de entrenamiento contra incendios, las instalaciones industriales y los vertederos. A medida que los reguladores endurecen los límites de tolerancia, las empresas de servicios públicos y los ingenieros se enfrentan a la compleja realidad de que los PFAS son diferentes de otros contaminantes. Las mismas herramientas disponibles para metales, patógenos e hidrocarburos a menudo resultan insuficientes en este caso.
Para entender por qué es tan difícil eliminar las PFAS, debemos comenzar con la química.
vínculo irrompible
Las PFAS se definen por una cadena de átomos de carbono unidos a flúor. El enlace entre el carbono y el flúor es uno de los enlaces más fuertes de la química orgánica. Es corto, estable y muy resistente a ataques térmicos, químicos y biológicos.
En la mayoría de las moléculas orgánicas, los enlaces carbono-hidrógeno o carbono-carbono pueden romperse con el calor, la luz solar, los oxidantes y los microorganismos. PFAS no cooperará. Los átomos de flúor crean una especie de armadura molecular alrededor del esqueleto de carbono.
Este blindaje hace que los PFAS sean resistentes a la hidrólisis, la oxidación, la reducción y la biodegradación en condiciones ambientales comunes.
Desde una perspectiva de ingeniería, esto significa que los procesos de tratamiento tradicionales, como el tratamiento biológico de aguas residuales y la oxidación simple, son en gran medida ineficaces para descomponer los PFAS. se pegan.
Esa tenacidad no es casualidad. Ésta es exactamente la razón por la que estos compuestos se utilizaron tan ampliamente.
Diseñado para resistir todo
Los PFAS se utilizan en espumas contra incendios, revestimientos antiadherentes en utensilios de cocina, telas resistentes a las manchas, envases de alimentos, fabricación de semiconductores y tensioactivos industriales. Su atractivo radica en su estabilidad química y su capacidad para repeler tanto el agua como el aceite.
Dos de los PFAS más estudiados son el ácido perfluorooctanoico (PFOA) y el sulfonato de perfluorooctano (PFOS). Ambos se fabricaron ampliamente durante décadas antes de ser eliminados en muchos países debido a preocupaciones ambientales y de salud. Pero hay miles de otros compuestos de PFAS, muchos de ellos con estructuras y comportamientos ligeramente diferentes.
Esta diversidad añade una capa adicional de dificultad. Los PFAS no son una sola sustancia química. Se trata de una gran clase de compuestos con diferentes longitudes de cadena, grupos funcionales y propiedades físicas. Un tratamiento que funciona bien para un compuesto puede no funcionar bien para otro.
Soluble, móvil, difícil de capturar.
Muchos PFAS problemáticos son muy solubles en agua. A diferencia de los contaminantes a base de petróleo o metales transportados por el aire que pueden precipitar, los PFAS a menudo permanecen móviles en estado disuelto.
En particular, los PFAS de cadena corta son más pequeños y más solubles en agua que los PFAS de cadena larga. Se mueven fácilmente a través del agua subterránea y es menos probable que sean absorbidos por los medios de tratamiento convencionales.
A medida que los fabricantes eliminan gradualmente los compuestos de cadena larga, muchos han optado por alternativas de cadena más corta. Desde una perspectiva de tratamiento, esa compensación a menudo hace que las PFAS sean más difíciles de eliminar.
En los sistemas de aguas subterráneas, las PFAS pueden viajar largas distancias desde su fuente original. Esta fluidez dificulta la remediación, especialmente en grandes columnas debajo de sitios industriales o militares.
Eliminación y destrucción de PFAS: diferencias clave
Los sistemas de tratamiento más utilizados están diseñados para separar las PFAS del agua en lugar de degradarlas químicamente. En la práctica, esto significa que los compuestos pueden capturarse, concentrarse y gestionarse de forma controlada.
Considere el carbón activado granular (GAC). Esto funciona por adsorción. Las moléculas de PFAS se adhieren a la superficie de partículas de carbono altamente porosas. Este enfoque ha demostrado ser particularmente eficaz para compuestos de cadena larga. Con el tiempo, el medio de carbón se reemplaza o regenera como parte de las operaciones regulares del sistema, lo que garantiza que la instalación continúe capturando PFAS.
Las resinas de intercambio iónico se basan en un concepto de captura similar, pero en lugar de carbono poroso, utilizan sitios cargados diseñados que atraen y unen moléculas de PFAS. Estos materiales se pueden adaptar para lograr selectividad y rendimiento y se regeneran a través de ciclos operativos establecidos que concentran los compuestos capturados para su gestión posterior.
Los sistemas de membrana, como la ósmosis inversa, toman un camino diferente. Se aplica presión para forzar al agua a través de una barrera semipermeable, separando físicamente las PFAS de la corriente de agua del proceso. Como resultado, se obtienen eficiencias de eliminación muy altas y los compuestos se recogen en corrientes concentradas más pequeñas que pueden procesarse adecuadamente.
En todos estos enfoques, las características centrales son la separación y la contención. El objetivo de la ingeniería es garantizar que las PFAS se capturen del agua y se integren en una forma manejable para su posterior tratamiento o eliminación.
barrera energética a la destrucción
Si los PFAS son tan estables, ¿por qué no simplemente descomponerlos con calor u oxidación avanzada?
El desafío es la cantidad de energía necesaria. Debido a que el vínculo entre el carbono y el flúor es tan fuerte, se requieren condiciones extremas para destruir los PFAS, incluidas temperaturas muy altas, ambientes fuertemente reductores, sistemas de plasma y procesos electroquímicos avanzados.
La incineración a alta temperatura también es una opción, pero debe controlarse cuidadosamente para garantizar una destrucción completa y evitar la formación de subproductos nocivos. Se están investigando la oxidación con agua supercrítica y las técnicas basadas en plasma como posibles métodos de destrucción.
Aunque estos enfoques tienen el potencial de destruir las PFAS, consumen mucha energía y aún no se han implementado ampliamente a escala municipal completa.
Ampliar la tecnología destructiva sigue siendo difícil desde una perspectiva de costos e infraestructura.
Desafíos analíticos
Otra razón por la que la eliminación de PFAS es complicada es la detección.
Actualmente, los límites regulatorios se establecen en concentraciones muy bajas, a menudo en el rango de partes por billón. Medir con precisión las PFAS a estos niveles requiere técnicas analíticas avanzadas, como la cromatografía líquida combinada con espectrometría de masas.
La validación del desempeño del tratamiento es complicada cuando los contaminantes no pueden medirse de manera confiable en los umbrales regulatorios. Las empresas de servicios públicos deben monitorear cuidadosamente las concentraciones de afluentes y efluentes para garantizar el cumplimiento, lo que a menudo aumenta la complejidad y los costos operativos.
Una cuestión de escala
La contaminación por PFAS rara vez se limita a una fuente única y fácilmente aislada. Los campos de entrenamiento contra incendios, los aeropuertos, los campos de aguas residuales industriales, los vertederos y las plantas de tratamiento de aguas residuales pueden contribuir.
Las instalaciones de tratamiento de aguas residuales a menudo reciben PFAS de insumos domésticos e industriales, pero los procesos de tratamiento tradicionales los pasan prácticamente sin cambios.
Esto significa que las PFAS pueden acumularse en biosólidos o descargarse en aguas receptoras. Incluso si las plantas de agua potable eliminan eficazmente los PFAS, la contaminación aguas arriba puede persistir.
La magnitud de la contaminación requiere tanto soluciones en el punto de uso como medidas más amplias de control de la fuente. Si las emisiones no se reducen en la fuente, los sistemas de tratamiento seguirán controlando un influjo persistente.
cambio de cadena corta
La presión regulatoria llevó a la eliminación gradual de ciertas PFAS de cadena larga a principios de la década de 2000. En respuesta, muchos fabricantes han adoptado alternativas de cadenas más cortas.
Aunque los PFAS de cadena corta tienden a bioacumularse menos que los compuestos de cadena larga, suelen ser más móviles en el agua y difíciles de eliminar mediante métodos de adsorción tradicionales.
Este cambio ilustra un tema recurrente en la ingeniería ambiental. Es decir, sustituir un problema puede introducir otro. Es posible que los sistemas de tratamiento diseñados en función de los perfiles iniciales de PFAS necesiten modificaciones para abordar eficazmente nuevos compuestos.
Por qué es importante la prevención
Dado lo difícil que es eliminar las PFAS, la prevención es clave.
El control de fuentes, la reformulación de productos, el pretratamiento industrial y la supervisión regulatoria pueden reducir la carga sobre los sistemas de procesamiento posteriores. El diseño de productos químicos que no dependan de estructuras fluoradas ultraestables aliviará los desafíos futuros de remediación.
Las soluciones de ingeniería pueden gestionar las PFAS, pero no son sencillas, baratas ni universalmente escalables. Cuando la química trabaja tan duro para resistir la degradación, siempre se necesita mucha energía, infraestructura y costos para revertirla.
cuestiones centrales
Las PFAS son difíciles de eliminar porque están diseñadas para ser indestructibles. La unión entre el carbono y el flúor previene el deterioro natural.
Muchos PFAS son fácilmente solubles en agua y se mueven libremente a través de los sistemas de aguas subterráneas. La mayoría de las tecnologías actuales los separan en lugar de destruirlos, trasladando la contaminación de un lugar a otro.
Este desafío no es un fracaso de ingeniería. Es un reflejo de la química.
La investigación continúa y se avanza en técnicas destructivas y métodos de tratamiento más selectivos. Pero la lección subyacente sigue siendo clara. Cuando diseñamos una sustancia química para una estabilidad extrema, heredamos una responsabilidad a largo plazo de gestionar su estabilidad en el medio ambiente.
Esa responsabilidad es ahora una prioridad para las empresas de servicios públicos, los reguladores, los ingenieros y las comunidades de todo el mundo.
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