Desarrollo de estrategias electroquímicas para la mineralización de PFAS: Un paso adelante hacia la sostenibilidad hídrica

Descripción:

La presencia de sustancias polifluoroalquiladas (PFAS) en el medio ambiente representa uno de los mayores desafíos en la gestión de la contaminación hídrica del siglo XXI. Conocidos como "químicos para siempre" debido a su extrema estabilidad y persistencia, los PFAS se han utilizado ampliamente en productos industriales y de consumo como espumas contra incendios, recubrimientos antiadherentes, textiles y cosméticos. Esta ubicuidad ha provocado su dispersión a nivel global con la problemática añadida de su constante acumulación en el medio que está provocando un aumento en su concentración en suelos, aguas superficiales, subterráneas e incluso el agua potable.
La problemática de los PFAS no es solo ambiental, sino también una grave amenaza para la salud pública. La exposición a estos compuestos se ha asociado con efectos adversos como problemas hepáticos, disfunciones tiroideas, alteraciones hormonales y un mayor riesgo de ciertos tipos de cáncer. La necesidad de desarrollar tratamientos efectivos y sostenibles para eliminar estos contaminantes es, por tanto, urgente y de suma importancia para la salud humana y de los ecosistemas.
Actualmente, las tecnologías de tratamiento convencionales, como la filtración por carbón activado o la ósmosis inversa, son ineficaces para la completa degradación de los PFAS. En lugar de destruirlos, simplemente los acumulan, generando residuos con alta concentración de PFAS que requieren tratamientos adicionales. Esto resalta la necesidad de desarrollar soluciones que logren la mineralización completa de los compuestos hasta su transformación en dióxido de carbono y fluoruros.
El proyecto DEEP-H2O propone el diseño de estrategias electroquímicas para la completa mineralización de PFAS de cadena larga y corta a través de la generación de radicales no selectivos como son radicales sulfatos (SO4-•), hidroxilo (•OH) y superóxido (O2-•) en reactores electroquímicos de tres electrodos sin membrana de intercambio iónica con el objetivo de diseñar un tratamiento eficiente, económico y escalable. El desarrollo de estrategias para generación de los distintos radicales es conveniente para abarcar el tratamiento de aguas contaminadas de distinta naturaleza, como, por ejemplo:
-Generación de radicales sulfatos (SO4-•) para el tratamiento de aguas ligeramente ácidas con alta concentración de sulfatos como aguas industriales (por ejemplo, aguas cerveceras), y aguas subterráneas.
-Generación de radicales superóxidos (O2-•) para el tratamiento de aguas alcalinas.
-Generación de radicales hidroxilos (•OH) para el tratamiento de aguas neutras.

Objetivos:

El objetivo principal del proyecto DEEP-H2O es la mineralización completa de PFAS de cadena corta y larga en aguas reales mediante generación de radicales sulfatos (SO4-•), hidroxilo (•OH) y superóxido (O2-•).
Para alcanzar el objetivo principal del proyecto se establecen dos objetivos parciales:
Objetivo parcial 1. Optimización del potencial aplicado sobre la mineralización de PFAS de cadena corta y larga en aguas residuales sintéticas mediante generación electroquímica de radicales sulfatos (SO4-•), hidroxilo (•OH) y superóxido (O2-•).
Objetivo parcial 2. Evaluación de la mineralización de PFAS de cadena corta y larga en aguas reales con los potenciales optimizados del objetivo parcial 1.

Plan de trabajo

El proyecto DEEP-H2O se organizará en 3 paquetes de trabajo (WP, siglas en inglés)

WP1: Diseño de celda electroquímica (Mes 1 – enero 2025).
Descripción: Durante este primer mes se evaluarán materiales de electrodo que maximicen la producción de cada uno de los tres radicales electroquímicos. Se priorizará el uso de materiales de electrodo económicos para aumentar el potencial de escalado de la solución propuesta tales como níquel, electrodos carbonosos, y óxidos metálicos.

WP2: Mineralización de PFAS vías de generación de radicales sulfato, hidroxilo y superóxido en aguas residuales sintéticas a diferentes potenciales aplicados (Mes 2-7 – Febrero/Julio 2025).
Descripción: Se diseñarán tres aguas sintéticas modelo que repliquen un agua subterránea, un agua residual urbana, y un agua industrial. Se aplicarán potenciales sobre el electrodo de trabajo entre -1.0 V y +1.0 V, monitoreando la producción de radicales y la mineralización de PFAS (trabajando como ánodo y cátodo). Como electrodo de referencia se utilizará un electrodo de Ag/AgCl (1 M). Los experimentos tendrán una duración de 8 horas y se muestreará cada hora para observar el progreso y la eficiencia del proceso de mineralización en cada condición. En este WP se monitorizará: consumo energético, concentración de fluoruros (indicador de ruptura de la molécula compleja), eliminación de PFAS, generación de radicales, TOC y pH.

WP3: Mineralización de PFAS vías de generación de radicales sulfato, hidroxilo y superóxido en aguas residuales sintéticas a diferentes potenciales aplicados (Mes 8-12 – Agosto/Diciembre 2025).
Descripción: Con los potenciales aplicados optimizados se replicará la estrategia electroquímica en aguas reales: un agua subterránea, un agua industrial, y un agua residual urbana. El objetivo de este WP es observar cómo afecta la composición de dichas aguas reales al proceso de mineralización de los contaminantes objetivo. En el caso de una disminución drástica de la eliminación de PFAS, se aumentará el tiempo de los experimentos hasta las 24 horas. En este WP se monitorizará: consumo energético, concentración de fluoruros, eliminación de PFAS, generación de radicales, TOC y pH.

Resultados esperados

Se estima que el proyecto DEEP-H20 genere los siguientes resultados esperados:

Diseño de una celda electroquímica eficaz en la mineralización de PFAS: Tras el proyecto se tendrá un diseño eficaz, de bajo coste y escalable para la mineralización de PFAS. Esta solución, debido al creciente interés a nivel europeo, puede suponer una ventaja competitiva frente a otras universidades a la hora de realizar actividades de transferencia.

Optimización de la mineralización de PFAS en aguas sintéticas y reales: Se estima una mineralización total de PFAS en las aguas sintéticas, además de una disminución de concentración de PFAS por debajo del límite legal establecido para aguas potables (100 ng/L) en el caso de las aguas reales.

Fortalecimiento de la investigación en la URL en tratamiento de aguas contaminadas por PFAS: Los resultados obtenidos contribuirán al desarrollo de estrategias electroquímicas para la eliminación de estos contaminantes que cada vez preocupan más a la sociedad y a las empresas de nuestro entorno, siendo la oportunidad para convertir a la URL en referente de este campo. Los resultados obtenidos se publicarán en una revista tipo Chemical Engineering Journal en OA.

Desarrollo de una tecnología innovadora: El proyecto generará conocimiento científico y tecnológico en el campo de la eliminación sostenible de contaminantes en aguas. El proyecto DEEP-H2O permitirá facilitar la atracción de inversiones privadas (a través del departamento de transferencia), y fondos públicos (a través de concurrencia en proyectos competitivos).