Las sustancias per- y polifluoroalquil (PFAS) representan un desafío significativo para los profesionales del tratamiento de agua en todo el mundo debido a su persistencia, presencia generalizada en fuentes de agua y efectos adversos para la salud.^1,2 Los PFAS son una familia de más de 14,000 productos químicos, caracterizados por una cadena de carbono completamente (prefijo: per-) o parcialmente (prefijo: poli-) fluorada, unida a un grupo funcional hidrofílico. La presencia de un fuerte enlace C–F hace que los PFAS sean térmicamente y químicamente estables.^3,4 Además, la combinación de partes hidrofóbicas e hidrofílicas permite a los PFAS adoptar un comportamiento similar a los surfactantes.

Debido a estas propiedades fisicoquímicas únicas, los PFAS se han utilizado en una amplia gama de aplicaciones industriales y comerciales, incluidos espumas contra incendios, plating de cromo, utensilios de cocina, ceras para esquí y recubrimientos repelentes al agua y al aceite como envases textiles y alimentarios.^5–7 Esto ha resultado en la liberación y detección de PFAS en el medio ambiente natural,⁸ en tejidos de vida silvestre,⁹ y en muestras de sangre humana.¹⁰ Varios estudios epidemiológicos han revelado la naturaleza tóxica y bioacumulativa de varios PFAS, que se han asociado con una alta incidencia de enfermedades inmunotóxicas y carcinogénicas en humanos.^11–14

Una encuesta reciente indicó que alrededor de 200 millones de estadounidenses consumen agua del grifo que está contaminada con PFAS.¹⁵ La Agencia de Protección Ambiental de EE.UU. (EPA) estableció niveles legalmente exigibles, llamados niveles máximos de contaminantes (MCL), para seis PFAS en agua potable: PFOA, PFOS, PFHxS, PFNA y HFPO-DA, como contaminantes con MCL individuales (por ejemplo, 4.0 partes por billón para PFOA y PFOS), y mezclas de PFAS que contienen al menos dos o más de PFHxS, PFNA, HFPO-DA y PFBS utilizando un índice de peligrosidad MCL para tener en cuenta los niveles combinados y concurrentes de estos PFAS en agua potable.

Dado que los procesos de tratamiento convencionales no pueden eliminar PFAS de las fuentes de agua potable, las utilidades que necesitan implementar estrategias alternativas efectivas están sujetas a investigaciones específicas del sitio que pueden durar varios años, determinaciones de fuentes, evaluaciones de riesgos y diseños y construcciones remediales.

Además, muchas comunidades más pequeñas carecen de los recursos necesarios para implementar tales estrategias de tratamiento avanzadas dentro de la instalación de tratamiento central. Los dispositivos de punto de uso/entrada (POU/POE), purificadores de agua domésticos con adsorbentes como carbón activado granular (GAC) y resinas de intercambio iónico (IXR), se han considerado así como un enfoque simple, efectivo y menos costoso para purificar el agua del grifo. Además, se requieren sistemas POU en regiones remotas o áreas rurales donde los hogares dependen de pozos individuales como fuente de agua potable.

Estos métodos muestran promesa, pero la variabilidad en la estructura y composición de PFAS complica su eliminación efectiva. El uso potencial de sustitutos de PFAS—los indicadores de saturación de medios adsorbentes—puede agilizar la evaluación de diferentes medios adsorbentes frente a diferentes clases de PFAS. Este estudio tuvo como objetivo explorar la identificación de dichos sustitutos, evaluando su función en la evaluación del rendimiento de GAC e IXR en diversos perfiles de PFAS y matrices de agua.

Objetivos del Estudio y Metodología

El objetivo principal de esta investigación fue identificar sustitutos de PFAS que pudieran reflejar el rendimiento de los GAC y IXR en aplicaciones POU/POE. El estudio se centró en tres objetivos clave:

1. Evaluación de Adsorción: Evaluar la capacidad y cinética de adsorción de tres tipos de GAC (carbón, cáscara de coco y de base de madera) y dos IXR con características estructurales comparables pero diferentes niveles de reticulación. Todos los medios empleados estaban certificados NSF/ANSI 61.
2. Datos e Información de Ruptura: Establecer métricas de rendimiento para la eliminación de PFAS individuales y acumulativos a través de los medios adsorbentes mencionados anteriormente en un entorno basado en columnas, utilizando la práctica industrial bien establecida de prueba de columna de pequeña escala rápida (RSSCT).¹⁶
3. Impacto en la Calidad del Agua: Determinar cómo los solutos comunes en el agua—materias orgánicas e iones inorgánicos—afectan la eficiencia de eliminación de PFAS.

PFAS y aguas de prueba. El estudio se centró en 16 PFAS, que abarcan longitudes de cadena de C3 a C8 y distintas clases, incluidos los ácidos carboxílicos perfluorados (PFCAs), ácidos sulfonicos perfluorados (PFSAs), ácidos sulfonicos de fluorotelómero (FTSAs), ácidos carboxílicos éter perfluorados (PFECAs) y sulfonamidas fluoroalquilos (FASAs). La selección incluyó los seis PFAS regulados por la EPA de EE. UU.¹⁷ y aquellos catalogados como constituyentes peligrosos como PFBA y PFHxA.¹⁸ Cuatro matrices de agua, denominadas aguas de desafío, con concentraciones variables de materia orgánica e iones inorgánicos, se utilizaron para evaluar los medios de tratamiento bajo condiciones del mundo real. El agua de desafío #4 era agua subterránea procedente de una comunidad en Columbia Británica, Canadá, con niveles similares de PFAS a otras aguas de desafío sintéticas (#1–3).

RSSCT. Para realizar experimentos de adsorción, es común el uso de RSSCT en una escala más pequeña que las columnas de tamaño completo. Estas pruebas implican el uso de partículas de GAC molidas o resinas IX para reducir el tiempo de retención y acelerar la evaluación de la duración del tratamiento en un entorno de laboratorio. Como resultado, las pruebas a escala de banco a través de RSSCT pueden completarse mucho más rápidamente que las pruebas a escala de partículas completas. RSSCT permite una selección más rápida de diferentes adsorbentes y condiciones de operación. Esto puede ayudar a identificar opciones de tratamiento prometedoras y sustitutos de PFAS de manera más eficiente. Además, al usar cantidades más pequeñas de agua y adsorbente, un RSSCT es una forma rentable y ecológica de llevar a cabo una prueba de selección, que genera menos desperdicio y tiene un menor impacto ambiental que pruebas a mayor escala.

Comportamientos de ruptura PFAS y aguas de desafío. El comportamiento de ruptura, examinado a través de RSSCT, proporcionó información crítica sobre el rendimiento de los medios. Los IXR demostraron una longevidad significativamente mayor, tratándose de aproximadamente 130,000 volúmenes de cama (BVs – equivalente a 260 litros de agua usando dos mililitros de adsorbente) antes de la saturación, mientras que los GAC alcanzaron la saturación en BVs por debajo de 40,000 (equivalente a 80 litros de agua). Vea la Figura 3.

Por ejemplo, los valores BV50 (BV en el que las concentraciones de PFAS alcanzaron el 50% de la concentración de entrada) para los IXR fueron de 4 a 13 veces más altos que aquellos para los GAC al considerar el agua de desafío #1. Esto subraya la durabilidad y las capacidades mejoradas de los IXR en la eliminación de PFAS. Entre los GAC, la variante de carbón superó a los tipos de cáscara de coco y de base de madera, especialmente durante las etapas iniciales del tratamiento. La distribución óptima del tamaño de poros y la química de superficie del GAC basado en carbón contribuyeron a su eficiencia de adsorción superior.

Impactos de las estructuras PFAS. En todas las aguas de desafío y GAC, el BV50 promedio de ruptura acumulativa de PFAS siguió el orden de FASAs (13,725) > FTSAs (12,905) > PFSAs (10,957) >> PFECAs (6,149) > PFCAs (5,201). Este orden se alinea estrechamente con los estudios previos de isoterma de adsorción por lotes y cinética. La rápida ruptura tanto de PFCAs como de PFECAs se atribuye a su hidrofobicidad inherente, que reduce su capacidad de adsorción en GAC en comparación con grupos más hidrofóbicos como PFSAs y FASAs.

De manera similar, el rendimiento de los IXR demostró una tendencia paralela, con eficiancias de eliminación siguiendo el orden de PFSAs (86,007) > FASAs (70,381) > PFECAs (59,846) ~ FTSAs (57,415) > PFCAs (47,838). Los grupos de ácido sulfonico (-SO3H) presentes en PFSAs son responsables de interacciones electrostáticas robustas, por lo que logran las eficiencias de eliminación más altas. En contraste, los PFCAs muestran la eliminación menos efectiva por IXR debido a sus interacciones electrostáticas más débiles resultantes de grupos carboxilo, lo que lleva a una ruptura más rápida.

Impactos de la Calidad del Agua. Este estudio también examinó el impacto de los constituyentes orgánicos e inorgánicos en diversas aguas de desafío sobre la eficiencia de eliminación de PFAS. El agua de desafío #1, con un contenido orgánico moderado de 2.3 miligramos de carbono orgánico disuelto por litro (mg C/L) y iones inorgánicos (0.5–100 mg/L), sirve como referencia para comparación.

En el agua de desafío #2, que tiene un mayor carbono orgánico disuelto (DOC) de 5.4 mg C/L, el rendimiento de GAC disminuye a volúmenes de cama más altos debido al bloqueo de microporos y la repulsión electrostática causada por la materia orgánica,¹⁹ siendo los PFAS de cadena más larga los más afectados. En contraste, el agua de desafío #3 mejora la eliminación de PFAS, especialmente para GAC basado en carbón, a través del puenteo catiónico y el efecto de sal sobre concentraciones elevadas de iones inorgánicos.¹⁹

El agua de desafío #4, derivada de agua subterránea natural, inicialmente apoya la eliminación de PFAS, pero experimenta rupturas anteriores debido a su perfil único de materia orgánica, que incluye compuestos de bajo y alto peso molecular, reduciendo la eficiencia general.

Para IXR, los altos niveles de DOC en el agua de desafío #2 tienen un impacto neutral en IXR #1 pero reducen ligeramente la eficiencia de IXR #2, ya que la materia orgánica puede mejorar la retención de PFAS a través de interacciones hidrofóbicas y dificultarla al ocupar sitios de intercambio. Las concentraciones de aniones inorgánicos elevados en el agua de desafío #3 disminuyen significativamente la eliminación de PFAS para ambos IXR debido a la competencia por los sitios de intercambio y el apantallamiento electrostático,¹⁹ reduciendo a la mitad los volúmenes de ruptura en comparación con el agua #1. El nitrato muestra el efecto competitivo más fuerte. De manera similar, en el agua de desafío #4, una mezcla de aniones inorgánicos elevados y materia orgánica equilibrada resulta en rupturas más rápidas de PFAS, destacando aún más la interacción entre los componentes de la matriz de agua y el rendimiento del adsorbente.

Sustitutos potenciales de PFAS. Entre los PFAS, las variantes de cadena más corta, particularmente PFBA, exhibieron rupturas más rápidas, destacando su potencial como sustitutos para pruebas. Además, los PFAS regulados como PFOA y GenX mostraron consistentemente rupturas anteriores, aunque dependiendo de los medios específicos y el agua de desafío examinada, lo que enfatiza su importancia en las evaluaciones de tratamiento.

Esto sugiere que las evaluaciones de capacidad y eficacia para adsorbentes o dispositivos de tratamiento deben centrarse en estos PFAS clave. Sin embargo, la selección de sustitutos de PFAS también involucra factores como ocurrencia, toxicidad y criterios regulatorios. PFOA es un objetivo clave debido a su mayor ocurrencia, toxicidad demostrada y límite estricto de la EPA. Las diferencias regionales, como los límites individuales de PFAS en EE. UU. frente a los límites acumulativos en Canadá, destacan la necesidad de sustitutos adaptados a pautas específicas.

Implicaciones

A medida que el escrutinio regulatorio de los PFAS se intensifica a nivel mundial, la necesidad de soluciones de tratamiento eficientes y rentables se vuelve primordial. Los hallazgos de este estudio sobre los sustitutos de PFAS y el rendimiento de los medios adsorbentes contribuyen al avance del campo, permitiendo a los profesionales del agua optimizar las estrategias de tratamiento y asegurar el cumplimiento de estándares en evolución. Los hallazgos enfatizan:

Selección de Medios: El rendimiento superior de IXR destaca su potencial para aplicaciones a largo plazo en el tratamiento de PFAS, especialmente para sistemas POU/POE.

Refinamiento de Sustitutos: PFBA y PFAS regulados como PFOA y GenX ofrecen puntos de partida para la identificación de sustitutos.

Consideraciones de la Matriz de Agua: La influencia de la calidad del agua en la eliminación de PFAS, especialmente sobre la eliminación de PFAS dirigidos/regulados, subraya la necesidad de evaluaciones adaptadas a escenarios de tratamiento específicos.