En la Parte 1 de esta serie de artículos, discutimos las fuentes, química, efectos en la salud y las implicaciones regulatorias de los PFAS. Ahora nos enfocamos en nuestras opciones para tratar la contaminación por PFAS.

Eliminación de la Introducción de PFAS

Obviamente, eliminar la fabricación de productos que contienen PFAS reducirá la exposición a estos compuestos; sin embargo, dado que los productos que contienen PFAS están en todas partes, y la actividad para reemplazarlos de manera voluntaria es muy errática, esto probablemente tomará muchos años. Además, hay trazas de PFAS en suelos, océanos, acuíferos, el aire, prácticamente en todas partes. Estamos en contacto constante con ellos.

En la mayoría de los casos, la industria está tratando de reemplazar esos productos bajo revisión con componentes sin PFAS. Esto requiere tiempo, y el reemplazo suele ser más costoso. Un ejemplo es el desarrollo de una espuma formadora de película acuosa libre de PFAS, una fuente significativa de contaminación. El Departamento de Defensa de EE. UU. ha pasado 10 años desarrollando este producto, pero debido a los obstáculos de costos, cambios de equipo, capacitación y otros desafíos, se espera que el Pentágono solicite una extensión de dos años para su implementación.

Además, hay algunos productos, como semiconductores y ciertos dispositivos médicos, para los cuales no pueden estar disponibles alternativas. Es posible minimizar la introducción de PFAS en el medio ambiente, pero puede no ser posible eliminar completamente los PFAS.

Eliminación

Eliminar toda la contaminación por PFAS de los océanos, el suelo y el aire será extremadamente difícil, si no imposible; sin embargo, la remediación de los suministros de agua potable es factible y es el enfoque de una actividad significativa en este momento. Las actividades regulatorias están dirigidas a limpiar los suministros de agua potable, y las tecnologías para lograr esto se abordan en el resto de este artículo.

Tratamiento de Suministros de Agua Potable

Estas cuatro tecnologías son las más adecuadas para la eliminación de PFAS de los suministros de agua normales, tanto municipales como de pozos privados:

• Carbón activado granular (CAG).
• Resinas de intercambio aniónico.
• Ósmosis inversa.
• Fraccionamiento por espuma.

Todas eliminan PFAS del agua, y se espera que el CAG sea la tecnología inicial elegida por los municipios para cumplir con los nuevos requisitos de nivel máximo de contaminantes. La tecnología CAG tiene una larga historia de uso exitoso en aplicaciones de tratamiento de aguas municipales para la eliminación de varios contaminantes orgánicos, y está fácilmente disponible y es relativamente económica.

Por otro lado, la fuente de materia prima del carbón activado afecta la capacidad de adsorción de PFAS, y el CAG parece tener un potencial limitado de sorción para PFAS de cadena corta. No hay acuerdo sobre la definición de cadena corta; sin embargo, parece ser un esqueleto de carbono de menos de siete átomos de carbono. Por supuesto, la selección de tecnología se basará en una serie de variables, incluido el PFAS particular. Sin duda se requerirá un pilotaje.

Carbón Activado Granular

El carbón activado se fabrica típicamente a partir de fuentes carbonáceas, a menudo material de desecho, como cáscaras de coco, carbón, lignito, turba, madera y materiales petroquímicos. Se activa físicamente al calentarse en una atmósfera inerte seguida de oxidación en presencia de vapor o oxígeno. Este proceso produce un material con alta porosidad y gran superficie. Un gramo de carbón activado tiene una superficie estimada de más de 32,000 pies cuadrados.

El carbón activado elimina contaminantes del agua mediante un proceso llamado adsorción, que es la unión del químico a la superficie del carbón a través de fuerzas de van der Waals, a menudo dentro de sus poros. El carbón activado está disponible en varias formas: granular, en polvo, coloidal, en bloque y extruido. El CAG hecho de carbón bituminoso parece ser el más efectivo para la adsorción de PFAS.

Resinas de Intercambio Aniónico

Las resinas de intercambio iónico son pequeñas perlas de plástico diseñadas para eliminar contaminantes iónicos utilizando un mecanismo de adsorción similar al del carbón activado. Se dice que las resinas de intercambio aniónico son efectivas para eliminar la mayoría de los PFAS y se afirma que los eliminan más rápidamente que el CAG.

Un desarrollo reciente implica despojar los PFAS adsorbidos de las resinas con una solución de solvente-salmuera especializada y recuperar el solvente mediante destilación.1 Los “fondos de destilación” contienen PFAS concentrados por un factor de hasta 50,000 para facilitar su destrucción. Dado que el solvente es actualmente metanol, el proceso no cumple con la norma NSF/ANSI 61 y no se puede usar por ahora para aplicaciones de agua potable.

Ósmosis Inversa

La ósmosis inversa es un proceso de separación por membrana impulsado por presión y flujo cruzado, utilizando una membrana semipermeable que está diseñada para rechazar contaminantes iónicos y compuestos orgánicos con pesos moleculares superiores a aproximadamente 150 daltons. Esta tecnología produce dos corrientes: una que pasa a través de la membrana y es purificada (permeado), y otra que pasa por la superficie de la membrana y lleva los contaminantes (concentrado). Dado que los contaminantes se eliminan continuamente, este es un proceso continuo, aunque eventualmente la membrana se ensuciará y requerirá limpieza o reemplazo. Se considera que la ósmosis inversa es efectiva para eliminar todos los PFAS.

La nanofiltración es otra tecnología de separación por membrana, muy similar a la ósmosis inversa pero capaz de rechazar compuestos orgánicos con pesos moleculares no inferiores a unos 300 daltons.

Fraccionamiento por Espuma

El fraccionamiento por espuma implica introducir burbujas de aire en el agua que suben a la superficie, llevando consigo los PFAS. Muchos PFAS son surfactantes con “cabezas” hidrofílicas y “colas” hidrofóbicas. Esta característica provoca que se acumulen preferentemente en la interfaz aire-agua de las burbujas, y esta capa superficial concentrada puede ser retirada y tratada posteriormente. Se ha estudiado el uso de ozono en lugar de aire y parece ofrecer ahorros de costos al producir significativamente menos volumen de espuma.2

Si bien ninguna tecnología eliminará el 100 por ciento de ningún contaminante, las pruebas exhaustivas del CAG, resinas de intercambio aniónico, ósmosis inversa y fraccionamiento por espuma han demostrado más del 99 por ciento de eliminación de PFAS. Varias muestran promesas para concentrar los PFAS y mejorar el funcionamiento de las tecnologías de destrucción descritas a continuación.

Tratamiento de Plumas de Agua Subterránea

Donde los PFAS han contaminado un suministro de agua subterránea (acuífero), se pueden emplear las siguientes técnicas:

• Bombear y tratar.
• Carbón activado coloidal (CAC).

Bombear y tratar implica bombear el agua contaminada fuera del acuífero, tratarla con cualquiera de las tecnologías mencionadas anteriormente, y devolverla al acuífero. Este proceso se ha utilizado durante más de 40 años para la remediación de aguas subterráneas, principalmente para la eliminación de contaminantes clorados. Una desventaja de este proceso es que algunos contaminantes, especialmente el ácido perfluorooctanoico (PFOA) y el sulfonato de perfluorooctano (PFOS), se adhieren a los sólidos del suelo y resisten la eliminación durante el proceso de bombeo.

El carbón activado coloidal consiste en partículas de carbón finamente molidas. Estas se inyectan en el acuífero contaminado y adsorben PFAS in situ. Las partículas de carbón activado se adsorben a los sólidos del suelo y permanecen allí indefinidamente. A medida que el agua tratada permanece en el acuífero, no se requiere gestión de residuos y no hay exposición humana a los PFAS. Se puede reinocular CAC adicional según sea necesario, y se informa que el costo total de este enfoque es menos de un tercio del costo del proceso de bombeo y tratamiento.

Destrucción de PFAS

Desafortunadamente, ninguna de las tecnologías mencionadas descompondrá los PFAS en sus componentes químicos básicos (por ejemplo, dióxido de carbono, ion de fluoruro y agua); sin embargo, se están llevando a cabo actividades intensivas para crear tecnologías de mineralización destructiva. El desafío es que el enlace químico carbono-flúor es extremadamente fuerte, probablemente el más fuerte conocido, en el rango de 485 kilojulios por mol. Afortunadamente, los humanos son muy innovadores, y se están desarrollando nuevas tecnologías en varias fases de comercialización.

La mayoría de los PFAS son especies de surfactantes basadas en ácidos carboxílicos o sulfonicos con cadenas fluoroalquílicas de diferentes longitudes. Esta gran variación genera desafíos en cuanto a la eficacia de tecnologías de destrucción específicas. Algunos compuestos pueden no ser completamente mineralizados y solo producir PFAS de cadena más corta. La clave para la destrucción completa es aprovechar y controlar la energía necesaria para lograrlo.

Las siguientes categorías tecnológicas están siendo investigadas:

• Térmica.
• Oxidación de agua supercrítica (SCWO).
• Tratamiento alcalino hidrotermal (HALT).
• Oxidación electroquímica.
• Oxidación fotocatalítica.
• Plasma.
• Sonólisis.
• Bioremediación.

Térmica

La incineración es un proceso que requiere mucha energía, y compuestos tóxicos gaseosos pueden ser liberados al medio ambiente; sin embargo, a temperaturas superiores a 1,000 grados Celsius, es posible la mineralización de PFAS. Un artículo de investigación del 13 de septiembre de 2022 en Remediation, “Destrucción Térmica de PFAS durante la Reactivación a Gran Escala de Carbón Activado Granular Cargado con PFAS,” detalla la utilización de un horno de múltiples cámaras seguido de un oxidante térmico, enfriador por pulverización, scrubber de inyección en seco y filtro de bolsa para regenerar carbón activado granular, que ha sido utilizado para adsorber PFAS de suministros de agua. La eficiencia general de destrucción de los compuestos objetivo (PFOA, PFOS, GenX y ácido perfluorobutano sulfonico o PFBS) superó el 99.99 por ciento. Una ilustración de dos de los sistemas de calefacción utilizados en el proceso de reactivación es la siguiente:

La pirólisis, la destrucción de materia orgánica mediante el calentamiento en ausencia de oxígeno, ha sido investigada para la mineralización de PFAS; sin embargo, parece ser más aplicable para el tratamiento de suelos contaminados.

Oxidación de Agua Supercrítica (SCWO)

Un fluido supercrítico es una sustancia a una temperatura y presión superiores a su punto crítico. Para el agua, este punto es de 374 grados Celsius y 3,200 libras por pulgada cuadrada de presión. Por encima de este punto crítico, el agua no es ni un líquido ni un gas, sino que tiene propiedades de ambos: las sales se vuelven insolubles y el oxígeno se vuelve extremadamente soluble.

Para descomponer PFAS, se añade un oxidante (aire, oxígeno, peróxido de hidrógeno), y el ácido fluorhídrico resultante generalmente se neutraliza con hidróxido de sodio.

Un estudio de 2022, bajo la dirección de la Oficina de Investigación y Desarrollo de la EPA de EE. UU., evaluó la eficacia de esta tecnología para destruir PFOA y PFOS en una espuma formadora de película acuosa diluida. Se probaron tres proveedores de sistemas SCWO. Todos los sistemas mostraron una reducción superior al 99 por ciento de estos compuestos.3 Aunque esta tecnología tiene altos requerimientos de energía, parece destruir PFAS, independientemente de la longitud de la cadena, y el tiempo de reacción es bastante rápido. Un gráfico que ilustra la química está a continuación:

Tratamiento Alcalino Hidrotermal (HALT)

De alguna manera relacionado con el SCWO, esta tecnología utiliza un pH alto (~14) y presión (~3,600 libras por pulgada cuadrada) a una temperatura de alrededor de 350 grados Celsius para lograr la destrucción de PFAS. En estas condiciones, el agua se considera en un estado subcrítico (líquido). Algunas pruebas han indicado que se pueden lograr tiempos de reacción más rápidos con la adición de un metal pesado en polvo, como el hierro.4

Oxidación Electroquímica

La EPA define esta tecnología como “una tecnología de tratamiento de agua que utiliza corrientes eléctricas que pasan a través de una solución para oxidar contaminantes.”5 Utiliza un ánodo y un cátodo con energía de corriente directa. Las ventajas son bajos costos energéticos, operación a temperatura ambiente y sin adición química. Las desventajas incluyen el potencial de destrucción incompleta, ensuciamiento del ánodo, costo del electrodo y posibles problemas de volatilización de PFAS.

El material del electrodo preferido parece ser el diamante dopado con boro, con excelente estabilidad mecánica, química y térmica, y altas propiedades de transferencia de electrones. El mecanismo exacto de destrucción de PFAS no se comprende completamente, y los compuestos de cadena larga se descomponen más rápidamente, aparentemente como resultado de su mayor hidrofobicidad.6 La oxidación electroquímica se ilustra a continuación:

Oxidación Fotocatalítica

La exposición de compuestos orgánicos a longitudes de onda de radiación ultravioleta (UV) inferiores a 320 nanómetros (nm) puede resultar en fotólisis, la fotodisociación de cadenas poliméricas, rompiendo teóricamente el compuesto en sus componentes básicos. Las dos longitudes de onda UV más comúnmente probadas son 185 nm y 254 nm, y la destrucción resulta de la generación de fotones. Contaminantes orgánicos competitivos, como la materia orgánica natural, así como condiciones ambientales como temperatura y pH, limitan la fotólisis de los PFAS.

La adición de oxidantes (ozono, peróxido de hidrógeno, persulfato, sulfito) ha mostrado mejorar la tasa de descomposición en estudios de laboratorio. El mecanismo de destrucción parece ser la formación de radicales activos por radiación UV.

Los nanotubos de dióxido de titanio y los compuestos han mostrado promesas en pruebas de laboratorio. Estos catalizadores aparentemente producen radicales hidroxilos (•OH) y otros intermediarios reactivos generados fotocatalíticamente que degradan más eficazmente los PFAS.7

Los procesos híbridos, que combinan oxidación electroquímica con fotocatalisis, por ejemplo, han sido estudiados en el laboratorio. Un estudio de este tipo se describe en un número de mayo de 2024 de Nature Water, “Destrucción Casi Completa de PFAS en Espuma Formadora de Película Acuosa (AFFF) mediante Procesos Foto-Electroquímicos Integrados.”

Un informe del Programa de Certificación de Tecnología de Seguridad Ambiental del Departamento de Defensa de EE. UU. de noviembre de 2023 titulado “Destrucción de PFAS mediante Reducción Fotocatalítica Activada” detalla una nueva tecnología. La adición de un químico produce una estructura micelar suractante que aparentemente envuelve los PFAS. Otra adición química es estimulada por radiación UV para descomponer PFAS. Esta tecnología se representa en la siguiente ilustración:

Tecnología de Plasma

Un plasma es un gas eléctricamente cargado. El diseño preferido para la destrucción de PFAS, plasma no térmico, se puede generar utilizando electrodos de varias maneras: descarga de chispa, descarga de resplandor, descarga de barrera dieléctrica y descarga de arco deslizante. Esta energía de descarga produce electrones que reaccionan con el aire o un gas específico, como helio, neón, argón, oxígeno o nitrógeno, en el agua para generar especies reactivas, incluidos radicales •OH, oxígeno atómico, oxígeno singlete, peróxido de hidrógeno y electrones solvados. También se producen radiación UV, ondas de choque y temperaturas altas localizadas in situ.

Se ha informado que el argón es el gas más adecuado para el tratamiento de PFAS. Las moléculas de PFAS adsorbidas en la interfaz de burbujas son impactadas por las especies reactivas. Las ventajas de esta tecnología son el corto tiempo de tratamiento, interferencia mínima de co-contaminantes y una destrucción de PFAS más completa. Por otro lado, este proceso aparentemente hace que el agua tratada sea ácida, aunque el proceso exacto de destrucción no se comprende completamente.8 La tecnología de plasma se ilustra a la izquierda:

Sonólisis

La cavitación acústica implica la generación e implosión de burbujas de vapor. La irradiación ultrasónica crea ondas de presión que generan áreas localizadas de baja y alta presión, formando burbujas de vapor, que continúan creciendo y finalmente colapsan, provocando condiciones instantáneas de alta temperatura (4,000–10,000 kelvins) y alta presión (580,000–870,000 libras por pulgada cuadrada). Esto resulta en la pirolisis del agua produciendo radicales hidroxilo y hidrógeno y oxígeno atómico en las interfaces de cavidad-volumen. Las pruebas han revelado que los PFAS pueden descomponerse en monóxido de carbono, dióxido de carbono y ion de fluoruro.9 Esto se ilustra en la parte superior de esta página.

Bioremediación

Existen muy pocos productos químicos orgánicos que ocurren naturalmente y que contengan flúor, y ninguno tiene más de un átomo de flúor en la molécula. Además, se sabe que el anión de fluoruro causa efectos tóxicos en bajas concentraciones. Por lo tanto, casi no hay microorganismos conocidos capaces de consumir estos productos químicos. Como resultado, las investigaciones sobre la destrucción de PFAS por microorganismos son muy limitadas.

Un estudio reciente de microorganismos en aguas residuales municipales encontró que dos especies de bacterias romperán los enlaces entre átomos de carbono y cloro, lo que desestabiliza la molécula. Los átomos reactivos de oxígeno e hidrógeno que reemplazan a los átomos de cloro contribuyen a la ruptura de los enlaces carbono-flúor. Este enfoque solo funciona con aquellos PFAS que también contienen cloro.10

Otro estudio evaluó la defluoración de PFAS basados en ácidos carboxílicos y determinó que es posible destruir ciertos PFAS mediante la combinación de tratamientos anaeróbicos y aeróbicos.11

Un estudio más ha demostrado que material fabricado a partir de fuentes lignocelulósicas renovables adsorbe PFAS y promueve el crecimiento bacteriano y fúngico para degradar estos compuestos. Esta tecnología utiliza materiales sostenibles de bajo costo; sin embargo, se requieren largos tiempos de reacción (30–45 horas), y la mineralización incompleta puede resultar.12

Existen varias otras tecnologías referenciadas en la literatura, pero aparentemente todavía están en la muy temprana fase de investigación de laboratorio. Algunos investigadores afirman la destrucción de PFAS pero retienen el proceso científico específico o los procesos empleados. Esta falta de detalles dificulta la ubicación en una categoría tecnológica particular. Un proveedor ofrece catalizadores “nanoporosos” y “piezoeléctricos”, que, bajo condiciones turbulentas, generan “radicales altamente reactivos, oxidativos y reductivos” que rompen enlaces químicos. Los detalles técnicos específicos se consideran propietarios.

“Tratamiento termomecánico” es el término aplicado a una tecnología de fresado que utiliza bolas de acero inoxidable para triturar suelos y otros sólidos que contienen PFAS. Las colisiones de las bolas generan altas temperaturas, y la adición de un reactivo alcalino promueve la destrucción de PFAS. Se ha presentado una solicitud de patente por la Oficina de Investigación y Desarrollo de la EPA. Existen numerosas tecnologías de tratamiento híbridas en desarrollo, combinando más de una de las categorías enumeradas en un intento de optimizar el rendimiento.

Las categorías aquí descritas son lo más inclusivas posible, y, a medida que continúan los desarrollos, sin duda aparecerán más. La clave para la defluoración completa es producir suficiente energía para romper el enlace químico carbono-flúor. Los factores que influyen en el rendimiento son muchos e incluyen la química particular de los PFAS (los PFAS de cadena corta, que contienen menos de seis átomos de carbono, son generalmente más difíciles de descomponer), el volumen de agua a tratar, la composición química, el pH, la temperatura, la interferencia de co-contaminantes, el requisito de calidad del agua tratada y consideraciones económicas.13

Conclusión

El mundo está entrando en una nueva era de identificación y medición de contaminantes en el agua potable. Los químicos analíticos ahora pueden medir contaminantes en el rango de nanogramos por litro. Esto es al menos 1,000 veces más pequeño que casi todas las capacidades de medición anteriores.

Hay razones para creer que pronto será posible medir rutinariamente concentraciones en el rango de partes por cuatrillón o picogramos por litro. Esto es 1,000 veces más pequeño y equivale a un segundo en 32 millones de años.

Como la mayor parte de los 85,000 productos químicos estimados en nuestro agua potable se presume que están en concentraciones muy pequeñas, esta capacidad sin duda nos permitirá identificar nuevos contaminantes de los que aún no somos conscientes, y se abrirá una caja de Pandora de problemas de contaminación por agua. ¿Representan estas pequeñas concentraciones de productos químicos desconocidos un peligro para la salud? No tenemos idea… aún. Por otro lado, ¡es difícil creer que consumir todos estos productos químicos sea bueno para nosotros!

La buena noticia es que cada vez que identificamos nuevos problemas de contaminación, parece que los humanos encuentran rápidamente una solución para hacer que el agua potable sea más segura.