Nova fórmula química «caçadora-assassina» captura e destrói para sempre os «químicos eternos»
Nova membrana catalítica tem como alvo a ligação mais forte da química orgânica
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Podem encontrar-se numa frigideira antiaderente, num casaco impermeável, numa embalagem de comida para levar ou na espuma utilizada no combate a incêndios. Conhecidas como «substâncias químicas eternas», estas substâncias estão omnipresentes na sociedade moderna, sendo valorizadas pela sua extrema durabilidade e versatilidade. No entanto, o seu encanto vem acompanhado de uma maldição: são tão duráveis que resistem à degradação, representando uma ameaça para a saúde humana e para o ambiente.
Uma membrana revestida com paládio utiliza hidrogénio para ajudar a decompor os PFAS, os chamados «químicos eternos».
Graphic by Jason Drees
As substâncias per- e polifluoroalquílicas, ou PFAS, ganharam desde cedo uma utilização generalizada em produtos como o Teflon, um revestimento resistente ao óleo, ao calor, às manchas, à gordura e à água. Hoje em dia, estão em todo o lado, desde tintas e adesivos até mobiliário, tapetes, cosméticos, semicondutores e tecidos impermeáveis. Infelizmente, também estão na nossa água, no solo, nos alimentos e até mesmo em nós próprios.
Agora, investigadores da Universidade do Estado do Arizona e os seus colegas internacionais estão a abordar o problema de uma nova forma. Em vez de filtrar estas substâncias químicas nocivas da água contaminada, desenvolveram uma técnica para as destruir.
A maioria dos tratamentos convencionais de PFAS separa os produtos químicos da água. O carvão ativado, a troca iônica e a filtração por membrana podem capturar os PFAS, mas os contaminantes permanecem em filtros usados, salmouras ou resíduos concentrados que ainda têm de ser manuseados ou eliminados. A nova abordagem foi concebida para ir um passo além, decompondo os produtos químicos em vez de simplesmente os transferir para outro local.
«Os PFAS são difíceis de decompor e os processos normais que utilizamos não funcionam», afirmou Bruce Rittmann, diretor do Biodesign Swette Center for Environmental Biotechnology, que liderou o estudo.
Juntaram-se a ele colaboradores da Universidade Rice, no Texas; da Universidade de Tongji, na China; da Universidade Nacional de Singapura; e da Universidade de Nanjing, na China.
A investigação foi publicada na edição atual da revista «Proceedings of the National Academy of Sciences».
Por que razão os «químicos eternos» perduram
Os PFAS devem a sua notória persistência à ligação carbono-flúor. Em muitos destes compostos, uma cadeia de átomos de carbono está quase completamente rodeada por átomos de flúor, criando uma estrutura química excepcionalmente resistente.
«É considerada a ligação mais forte da química orgânica», afirmou Rittmann.
Com o flúor a proteger eficazmente a estrutura principal de carbono, os processos biológicos e químicos convencionais têm dificuldade em encontrar um ponto de partida para decompor a molécula.
«Não há realmente nenhum ponto por onde começar a decompor a molécula», afirmou Rittmann.
A decomposição é difícil, mas não impossível. O hidrogénio pode fornecer a energia necessária para atacar as ligações carbono-flúor, mas primeiro tem de ser ativado. Os investigadores utilizam nanopartículas de paládio como catalisadores para converter o gás hidrogénio numa forma altamente reativa, capaz de retirar o flúor da molécula de PFAS. Para fornecer o hidrogénio de forma eficiente, os investigadores revestiram minúsculas fibras de membrana com nanopartículas de paládio e fizeram passar gás hidrogénio através delas.
Uma tecnologia de membrana relacionada, desenvolvida por Rittmann e os seus colegas, fornece hidrogénio a bactérias que degradam poluentes. Na investigação atual, os micróbios são substituídos pelo paládio, que utiliza o hidrogénio para atacar os PFAS.
O novo estudo testou o método em seis PFAS que suscitam preocupações regulamentares. «Demonstrámos que este mecanismo funcionou para todos os seis», afirmou Rittmann. «É um mecanismo universal.»
Um legado ambiental duradouro
A contaminação por PFAS está generalizada nas águas subterrâneas, nas águas residuais e no solo. Concentrações particularmente elevadas são frequentemente encontradas em torno de instalações de tratamento de águas residuais, aterros sanitários, aeroportos e bases militares onde foram utilizadas espumas de combate a incêndios contendo PFAS. Os produtos químicos também podem entrar nas culturas e acumular-se em peixes, gado e vida selvagem, criando vias adicionais de exposição humana.
«Todos nós temos PFAS no nosso organismo», afirmou Rittmann. «Eles permanecem no ambiente. Subem na cadeia alimentar e, por isso, constituem um grande problema de legado.» Essa persistência significa que a contaminação por PFAS pode perdurar para além das utilizações que a criaram.
A exposição a alguns PFAS tem sido associada a cancros, doenças da tiróide, efeitos no sistema imunitário, redução da fertilidade, complicações na gravidez, problemas de desenvolvimento, obesidade e colesterol elevado. Dois tipos de PFAS — o PFOS e o PFOA — foram incluídos na Convenção de Estocolmo sobre Poluentes Orgânicos Persistentes. No entanto, os riscos apresentados pela família mais ampla dos PFAS continuam a ser difíceis de avaliar, uma vez que existem milhares de compostos e apenas uma pequena fração foi exaustivamente testada quanto à toxicidade.
Combinação molecular
A membrana catalítica funciona ao reunir as moléculas de PFAS e o hidrogénio altamente reativo na superfície do catalisador de paládio. O hidrogénio atravessa a membrana e é atraído pelo paládio, onde as moléculas de gás hidrogénio se dividem em átomos individuais de hidrogénio. As moléculas de PFAS que se aproximam da água circundante também se ligam à superfície do paládio.
«O paládio atrai a molécula de PFAS, atrai o hidrogénio e une-os», explicou Rittmann.
Com o poluente e o hidrogénio reativo lado a lado, o paládio atua como catalisador, permitindo uma reação rápida que quebra as ligações carbono-flúor difíceis de quebrar.
A forma como o hidrogénio é fornecido também é fundamental. Em vez de simplesmente misturar hidrogénio na água, os investigadores introduzem-no a partir do interior da membrana diretamente na base da camada de paládio.
Este fornecimento «de dentro para fora» é um dos principais avanços do estudo: a membrana faz mais do que capturar PFAS na sua superfície. Também fornece o hidrogénio reativo necessário para desmantelar quimicamente as moléculas assim que estas chegam ao local.
Durante quase dois meses, o sistema tratou continuamente água contendo uma mistura de seis PFAS. Removou mais de 90 % de cada composto e eliminou cerca de 83 % do flúor no total, demonstrando que os poluentes estavam a ser desmantelados quimicamente, em vez de serem meramente filtrados.
Rumo à aplicação no mundo real
O teste de 58 dias demonstrou que o sistema podia funcionar de forma contínua, mas a transposição da tecnologia para o tratamento prático da água exigirá mais trabalho de engenharia. Um obstáculo prático é o custo. Rittmann afirmou que reduzir a quantidade de paládio necessária é uma das principais prioridades de investigação do grupo.
«O paládio é caro», afirmou. «Custa cerca de 50 000 dólares por quilograma.»
A tecnologia poderá, a longo prazo, complementar os sistemas existentes de remoção de PFAS. O tratamento convencional poderia, em primeiro lugar, concentrar os contaminantes de grandes volumes de água num fluxo de resíduos mais pequeno, que poderia então ser tratado para destruir os PFAS, em vez de simplesmente os armazenar ou eliminar.
A mesma plataforma de membranas pode também ter aplicações mais amplas. O grupo de Rittmann está a desenvolver versões híbridas que combinam nanopartículas de paládio com bactérias que degradam os poluentes. O paládio e os micróbios atacam os contaminantes de formas diferentes, proporcionando ao sistema duas vias para os decompor. «Demonstrámos que isto também funciona», afirmou Rittmann.
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