Una nuova reazione chimica “cacciatrice-assassina” cattura e distrugge per sempre le sostanze chimiche persistenti

Le sostanze per- e polifluoroalchiliche, o PFAS, hanno trovato fin da subito un ampio impiego in prodotti come il Teflon, un rivestimento resistente a olio, calore, macchie, grasso e acqua. Oggi sono ovunque, dalle vernici e dagli adesivi ai mobili, ai tappeti, ai cosmetici, ai semiconduttori e ai tessuti impermeabili. Purtroppo, si trovano anche nell’acqua, nel suolo, nel cibo e persino nel nostro corpo. 

Ora, i ricercatori dell’Arizona State University e i loro colleghi internazionali stanno affrontando il problema in modo innovativo. Anziché filtrare queste sostanze chimiche nocive dall’acqua contaminata, hanno sviluppato una tecnica per distruggerle.

La maggior parte dei trattamenti convenzionali per i PFAS separa le sostanze chimiche dall’acqua. Il carbone attivo, lo scambio ionico e la filtrazione a membrana possono catturare i PFAS, ma i contaminanti rimangono nei filtri esausti, nelle salamoie o nei rifiuti concentrati che devono comunque essere gestiti o smaltiti. Il nuovo approccio è progettato per andare oltre, scomponendo le sostanze chimiche anziché limitarsi a spostarle altrove.

«I PFAS sono difficili da degradare e i normali processi che utilizziamo non funzionano», ha affermato Bruce Rittmann, direttore del Biodesign Swette Center for Environmental Biotechnology, che ha guidato lo studio.

Al suo fianco figurano collaboratori della Rice University, in Texas; della Tongji University, in Cina; della National University of Singapore; e della Nanjing University, in Cina.

La ricerca è pubblicata nell’ultimo numero dei *Proceedings of the National Academy of Sciences*.

Perché le sostanze chimiche “permanenti” resistono

I PFAS devono la loro famigerata persistenza al legame carbonio-fluoro. In molti di questi composti, una catena di atomi di carbonio è quasi completamente circondata da atomi di fluoro, creando una struttura chimica eccezionalmente resistente.

«È considerato il legame più forte della chimica organica», ha affermato Rittmann.

Poiché il fluoro protegge efficacemente la struttura portante del carbonio, i processi biologici e chimici convenzionali hanno difficoltà a trovare un punto da cui iniziare a scomporre la molecola.

«Non c’è davvero alcun punto da cui iniziare a scomporla», ha affermato Rittmann.

La scomposizione è difficile, ma non impossibile. L’idrogeno può fornire l’energia necessaria per attaccare i legami carbonio-fluoro, ma prima deve essere attivato. I ricercatori utilizzano nanoparticelle di palladio come catalizzatori per convertire l’idrogeno gassoso in una forma altamente reattiva in grado di rimuovere il fluoro dalla molecola di PFAS. Per fornire l’idrogeno in modo efficiente, i ricercatori hanno rivestito minuscole fibre di membrana con nanoparticelle di palladio e vi hanno fatto passare l’idrogeno gassoso.

Una tecnologia a membrana correlata, sviluppata da Rittmann e dai suoi colleghi, fornisce idrogeno ai batteri che degradano gli inquinanti. Nella ricerca attuale, i microbi sono sostituiti dal palladio, che utilizza l’idrogeno per attaccare i PFAS. 

Il nuovo studio ha testato il metodo su sei PFAS oggetto di preoccupazione normativa. «Abbiamo dimostrato che questo meccanismo ha funzionato per tutti e sei», ha affermato Rittmann. «È un meccanismo universale».

Un retaggio ambientale duraturo

La contaminazione da PFAS è diffusa nelle acque sotterranee, nelle acque reflue e nel suolo. Concentrazioni particolarmente elevate si riscontrano spesso nei pressi di impianti di trattamento delle acque reflue, discariche, aeroporti e basi militari dove sono state utilizzate schiume antincendio contenenti PFAS. Queste sostanze chimiche possono anche penetrare nelle colture e accumularsi nei pesci, nel bestiame e nella fauna selvatica, creando ulteriori vie di esposizione per l’uomo.

«Tutti noi abbiamo PFAS nel nostro organismo», ha affermato Rittmann. «Rimangono nell’ambiente. Risalgono la catena alimentare e rappresentano quindi un grave problema di eredità ambientale». Tale persistenza implica che la contaminazione da PFAS possa sopravvivere agli stessi usi che l’hanno generata.

L’esposizione ad alcuni PFAS è stata associata a tumori, malattie della tiroide, effetti sul sistema immunitario, riduzione della fertilità, complicazioni in gravidanza, problemi di sviluppo, obesità e colesterolo elevato. Due tipi di PFAS — il PFOS e il PFOA — sono stati inseriti nell’elenco della Convenzione di Stoccolma sugli inquinanti organici persistenti. Tuttavia, i rischi posti dalla più ampia famiglia dei PFAS rimangono difficili da valutare poiché esistono migliaia di composti e solo una piccola parte di essi è stata sottoposta a test approfonditi di tossicità.

Accoppiamento molecolare

La membrana catalitica funziona riunendo le molecole di PFAS e l’idrogeno altamente reattivo sulla superficie del catalizzatore al palladio. L’idrogeno attraversa la membrana ed è attratto dal palladio, dove le molecole di idrogeno gassoso si scindono in singoli atomi di idrogeno. Anche le molecole di PFAS provenienti dall’acqua circostante si legano alla superficie del palladio.

«Il palladio attira la molecola di PFAS, attira l’idrogeno e li mette insieme», ha spiegato Rittmann.

Con l’inquinante e l’idrogeno reattivo affiancati, il palladio agisce da catalizzatore, consentendo una reazione rapida che rompe i tenaci legami carbonio-fluoro.

Anche il modo in cui l’idrogeno viene fornito è fondamentale. Anziché limitarsi a mescolare l’idrogeno nell’acqua, i ricercatori lo immettono dall’interno della membrana direttamente alla base dello strato di palladio.

Questo sistema di immissione “dall’interno verso l’esterno” rappresenta uno dei principali progressi dello studio: la membrana non si limita a catturare i PFAS sulla propria superficie, ma fornisce anche l’idrogeno reattivo necessario per smantellare chimicamente le molecole una volta che queste vi giungono.

Per quasi due mesi, il sistema ha trattato in modo continuo acqua contenente una miscela di sei PFAS. Ha rimosso oltre il 90% di ciascun composto ed eliminato circa l’83% del fluoro complessivo, dimostrando che gli inquinanti venivano smantellati chimicamente anziché semplicemente filtrati.

Verso l’applicazione pratica

Il test di 58 giorni ha dimostrato che il sistema è in grado di funzionare in modo continuo, ma per tradurre questa tecnologia in un trattamento pratico dell’acqua saranno necessari ulteriori sviluppi ingegneristici. Uno degli ostacoli pratici è il costo. Rittmann ha affermato che ridurre la quantità di palladio necessaria è una delle principali priorità di ricerca del gruppo.

«Il palladio è costoso», ha detto. «Costa circa 50.000 dollari al chilogrammo».

La tecnologia potrebbe, a lungo termine, integrare i sistemi esistenti di rimozione dei PFAS. Il trattamento convenzionale potrebbe innanzitutto concentrare i contaminanti presenti in grandi volumi d’acqua in un flusso di scarico più ridotto, che potrebbe poi essere trattato per distruggere i PFAS anziché limitarsi a immagazzinarli o smaltirli.

La stessa piattaforma a membrana potrebbe inoltre avere impieghi più ampi. Il gruppo di Rittmann sta sviluppando versioni ibride che combinano nanoparticelle di palladio con batteri in grado di degradare gli inquinanti. Il palladio e i microbi agiscono sui contaminanti in modi diversi, fornendo al sistema due vie per la loro degradazione. «Abbiamo dimostrato che anche questo funziona», ha affermato Rittmann.