Las sustancias per- y polifluoroalquiladas (PFAS) comprenden un amplio grupo de compuestos sintéticos difíciles de descomponer que presentan una cola de cadena alquilo fluorada y una cabeza hidrofílica.¹ Sus fuertes enlaces covalentes C-F les otorgan una estabilidad química, térmica y biológica única, lo que lleva a su uso generalizado en una variedad de productos, como recubrimientos antiadherentes, retardantes de fuego y envases de alimentos.¹ La prevalencia de los PFAS en productos industriales y de consumo, junto con su resistencia a los tratamientos convencionales de agua y aguas residuales, así como a la degradación ambiental, ha llevado a su presencia casi ubicua en el agua.

Aunque las concentraciones de PFAS son típicamente bajas, a niveles de ≤ µg/L, su presencia puede representar un riesgo para la salud humana. En consecuencia, en 2024, la Agencia de Protección Ambiental de EE. UU. (EPA) introdujo estándares nacionales de agua potable para seis PFAS, incluyendo compuestos individuales y un índice de peligrosidad para mezclas (figura 1).

En respuesta a tales regulaciones, hay un gran interés en tecnologías de tratamiento de agua y aguas residuales que sean capaces de mitigar eficazmente estos químicos permanentes. Se están explorando dos clasificaciones de tratamientos de PFAS: eliminación física y degradación química.

La eliminación física separa los PFAS del agua; este enfoque incluye procesos de adsorción como carbón activado granular (GAC) e intercambio iónico.¹ Después de la separación física, los PFAS generalmente se concentran en un volumen mucho más pequeño y, aunque se requiere la destrucción del PFAS concentrado, el volumen reducido de material contaminado disminuye los insumos de energía y químicos necesarios para la degradación.² La degradación química, por ejemplo, los procesos de oxidación avanzada (AOP) y la ultrasonificación, descompone los PFAS al interrumpir enlaces químicos, idealmente produciendo productos de mineralización completa (fluoruro inorgánico).

La ozonización ha atraído atención para el tratamiento de agua y aguas residuales debido a su capacidad no solo para desinfectar el agua, sino también para degradar micropoluentes orgánicos como productos farmacéuticos y de cuidado personal. Sin embargo, muchos estudios han mostrado que la ozonización proporciona un tratamiento de PFAS insignificante, debido a la estructura química estable de los compuestos de PFAS.^3–5 Específicamente, el potencial de redox del ozono molecular es E0 = 2.07 V, que es insuficiente para degradar PFAS dado que F es el oxidante inorgánico más fuerte (E0 = 2.87 V).⁴ Sin embargo, el uso del ozono en combinación con otros procesos o adiciones químicas introduce oportunidades para mitigar eficazmente la contaminación por PFAS.

Un tren de tratamiento secuencial que ha mostrado promesa para la eliminación de PFAS es ozono seguido de filtración biológicamente activa y luego GAC. Esta secuencia ha surgido como una posible alternativa a la ósmosis inversa, particularmente en regiones interiores donde la eliminación de salmuera es más complicada.¹ La adición de ozono antes del GAC mejoró la eliminación de PFAS de las aguas residuales, con más mejoras después de incorporar la filtración biológicamente activa.¹ La base para el rendimiento mejorado fue la mejor adsorción de PFAS en el GAC debido a la disminución de la cantidad y/o al carácter transformado de los orgánicos en las aguas residuales tratadas con ozono, lo que redujo la competencia por los sitios de adsorción del GAC.¹

El ozono también ha demostrado mejorar la eliminación física de PFAS cuando se opera como un sistema de fraccionamiento por espuma. El fraccionamiento por espuma de ozono, a veces denominado fraccionamiento de aire ozonado o ozofraccionamiento, aprovecha la adsorción hidrofóbica de PFAS en la interfaz gas-agua de la burbuja.⁶ En consecuencia, los PFAS se distribuyen hacia la capa de espuma de la superficie, que luego puede separarse raspando en preparación para un tratamiento destructivo posterior.

Este enfoque puede reducir el volumen de desechos contaminados por PFAS en cientos a miles de veces.⁶ Se logró más del 90 por ciento de eliminación de PFAS de cadena larga utilizando fraccionamiento por espuma de ozono para tratar lixiviado de vertederos.⁶ Asimismo, el fraccionamiento por espuma de ozono logró una eliminación del 95 por ciento de PFAS en aguas residuales, superando a UV/ozono y fraccionamiento de aire, aparentemente debido al enriquecimiento de radicales hidroxilos (HO•) en las burbujas de gas.²

Se propuso que una capa rica en HO• se formaría alrededor de la interfaz de la burbuja de gas debido a la difusión de ozono en el agua, y dado que los HO• son fuertes ligadores de electrones, se unirían a los extremos cargados negativamente hidrofílicos COO-/SO3- de PFOA/PFOS, concentrando así los PFAS en la interfaz de la burbuja de ozono (figura 2). La eliminación de ácidos sulfonicos perfluoroalquílicos (PFSA, que contienen un grupo SO3-) en la espuma fue mayor que la de ácidos carboxílicos perfluoroalquílicos (PFCA, que contienen un grupo COO-). La mayor eliminación de PFSA derivó de que el PFSA es más hidrofóbico y, por lo tanto, tiene mayor afinidad por las burbujas de gas. Usando fraccionamiento por espuma de ozono, los PFAS de cadena larga fueron más fáciles de eliminar que los PFAS de cadena corta, dado que el coeficiente de partición disminuye exponencialmente con el número de carbonos.²

Se ha reportado degradación química de los PFAS en sistemas de ozono modificados, incluyendo ozonización alcalina y AOP basados en ozono. Usando un período inicial de ozonización en condiciones ambientales (pH 4–5 debido a adiciones de ozono y PFAS) seguido de ozonización alcalina (pH ajustado a 11 con ozonización continua), se logró una eliminación del 85 por ciento al 100 por ciento de PFOA y PFOS.

El rendimiento mejorado utilizando este sistema se atribuyó a la acumulación de ozono disuelto bajo las condiciones iniciales de bajo pH, que, al reaccionar posteriormente con los iones, produce considerables especies de radicales libres reactivas, como el HO•, que aceleraron la degradación de PFAS. La adición de H₂O₂ al sistema de ozono (peroxona) mejoró aún más la degradación de PFAS. En comparación con la fotólisis, sonólisis y varios AOP, el proceso de ozonización alcalina parece ser competitivo en términos de requisitos de energía, tiempo de contacto y tasas de eliminación.⁵

Muchas modificaciones de sistemas de ozono caen bajo el título de AOP, ya que producen radicales como HO•. Los radicales hidroxilos son oxidantes mucho más fuertes que el ozono (E0 = 2.8 V frente a 2.07 V, respectivamente),⁴ y aunque los surfactantes perfluorados no contienen los sitios reactivos preferidos para las reacciones de HO•, se ha demostrado que los AOP con diversas especies radicales degradan los PFAS.^2,4,7 Por ejemplo, la catalización heterogénea de ozono usando una combinación de catalizador y persulfato pudo lograr hasta un 98 por ciento de eliminación de PFAS. La eliminación probablemente se debió a radicales de sulfato y dependió de la longitud de la cadena de carbono perfluorada más que del grupo funcional. Los PFAS de cadena larga se eliminaron más efectivamente que los PFAS de cadena corta (≥ 98% para C7–C11, 64% para C12–C17 y 55% para C4–C6).⁴

Para todas las tecnologías destructivas, vale la pena considerar si se logra una mineralización completa o si permanecen subproductos de oxidación incompleta en el sistema. Lo más importante es, ¿alguno de los subproductos representa riesgos para la salud y, de ser así, cómo podrían afectar el cumplimiento regulatorio? En algunos casos, se han observado niveles elevados de PFAS tras tratamientos de agua y aguas residuales, incluyendo biológicos, clorinación, ozonización, peroxona y UV-AOPs.^8–14 Dichos aumentos pueden ocurrir cuando los precursores fluorados se convierten en productos terminales.¹ Las aguas residuales pueden contener cantidades considerables de precursores desconocidos que pueden contribuir a aumentos en los compuestos objetivos de PFAS.¹⁴

Aunque el ozono en sí no es efectivo para el tratamiento de PFAS, puede contribuir a la eliminación y/o degradación de PFAS cuando se opera en conjunto con otros procesos o con modificaciones químicas que favorecen la producción de especies radicales.