Las sustancias per- y polifluoroalquílicas (PFAS) son un amplio grupo de compuestos que no se descomponen fácilmente y que contienen una cadena alquilo fluorada hidrofóbica y un grupo cabecera hidrofílico.¹ Sus fuertes enlaces covalentes C-F les otorgan estabilidad química, térmica y biológica, lo que ha llevado a su uso generalizado en productos como recubrimientos antiadherentes, retardantes de fuego y empaques de alimentos.¹ La prevalencia de PFAS en productos industriales y de consumo, junto con su resistencia tanto a los procesos de tratamiento de agua/residuos convencionales como a la degradación ambiental, ha llevado a su presencia casi ubicua en el agua.

Aunque las concentraciones de PFAS suelen ser bajas, a niveles de ≤ µg/L, su presencia puede representar un riesgo para la salud humana. Por lo tanto, en 2024, la Agencia de Protección Ambiental de EE. UU. (EPA) introdujo Normas Nacionales Primarias de Agua Potable para seis PFAS, incluyendo compuestos individuales y un índice de peligro para mezclas (figura 1).

En respuesta a tales regulaciones, hay un gran interés en tecnologías de tratamiento de agua/residuos que sean capaces de mitigar efectivamente estos químicos eternos. 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 el carbón activado granular (GAC) y el intercambio de iones.¹ Después de la separación física, los PFAS típicamente se concentran en un volumen mucho más pequeño, y aunque aún se requiere la destrucción de los PFAS concentrados, el menor volumen de material contaminado reduce la energía/químicos necesarios para la degradación.² La degradación química—por ejemplo, los procesos de oxidación avanzados (AOP) y la ultrasonido—descomponen los PFAS al romper enlaces químicos, produciendo idealmente productos de mineralización completa (fluoruro inorgánico).

La ozonización ha atraído atención para el tratamiento de agua/residuos debido a su capacidad no solo para desinfectar el agua, sino también para degradar micropolutanes orgánicos como productos farmacéuticos y de cuidado personal. Sin embargo, muchos estudios han demostrado 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 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 de ozono en combinación con otros procesos o adiciones químicas ofrece oportunidades para mitigar efectivamente la contaminación por PFAS.

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

También se ha demostrado que el ozono mejora la eliminación física de PFAS cuando se opera como un sistema de fraccionamiento de espuma. El fraccionamiento de espuma de ozono, a veces referido como fraccionamiento de aire ozonizado, utiliza la adsorción hidrofóbica de PFAS en la interfaz gas-agua de la burbuja.⁶ Por lo tanto, los PFAS se distribuyen hacia la capa de espuma superficial, que luego puede separarse mediante raspado en preparación para el 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 de espuma de ozono para tratar el lixiviado de vertederos.⁶ Asimismo, el fraccionamiento de espuma de ozono logró una eliminación del 95 por ciento de PFAS en agua residual, 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 se formaría una capa rica en HO• alrededor de la interfaz de la burbuja de gas debido a la difusión de ozono en el agua, y dado que HO• son fuertes dadores de electrones, se unirían a los extremos hidrofílicos COO-/SO3- de PFOA/PFOS, concentrando así PFAS en la interfaz de la burbuja de ozono (figura 2). La eliminación de ácidos sulfonicos perfluoroalquilos (PFSA, que contienen un grupo SO3-) en la espuma fue mayor que la de ácidos carboxílicos perfluoroalquilos (PFCA, que contienen un grupo COO-). La mayor eliminación de PFSA se debe a que los PFSA son más hidrofóbicos y, por lo tanto, tienen una mayor afinidad por las burbujas de gas. Utilizando el fraccionamiento de 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 la disminución del número de carbonos.²

Se ha informado de la degradación química de PFAS para sistemas de ozono modificados, incluyendo ozonización alcalina y AOPs basadas en ozono. Utilizando un período inicial de ozonización a condiciones ambientales (pH 4-5 debido a las adiciones de ozono y PFAS) seguido de ozonización alcalina (pH ajustado a 11 con ozonización continua), se logró entre el 85 por ciento y el 100 por ciento de eliminación de PFOA y PFOS.

El rendimiento mejorado utilizando este sistema se atribuyó a la acumulación de ozono disuelto bajo las condiciones iniciales de pH bajo, que, cuando reaccionó posteriormente con los iones hidróxido en exceso presentes a alto pH, dio lugar a la producción considerable de especies radicales libres reactivas, como 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 AOPs, el proceso de ozonización alcalina parece ser competitivo en términos de requerimientos de energía, tiempo de contacto y tasas de eliminación.⁵

Muchas modificaciones del sistema de ozono se incluyen en la categoría de AOP, ya que producen radicales como HO•. Los radicales hidroxilo 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 que presentan varias especies radicales degradan los PFAS.^2,4,7 Por ejemplo, la catálisis heterogénea del ozono utilizando una combinación de catalizador y persulfato logró eliminar hasta el 98 por ciento de PFAS. La eliminación probablemente se debió a los radicales sulfato y dependió de la longitud de la cadena de perfluorocarbono en lugar del grupo funcional. Los PFAS de cadena larga se eliminaron de manera más efectiva 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, es importante considerar si se logra la mineralización total o si quedan subproductos de oxidación incompleta en el sistema. Lo más importante, ¿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 aumentados de PFAS tras tratamientos de agua/residuos, incluyendo biológicos, cloración, ozonización, peroxona y UV-AOPs.^8–14 Tales 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 objetivo de PFAS.¹⁴

Aunque el ozono en sí mismo es ineficaz 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.