Pesquisadores da Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) estão testando duas tecnologias projetadas para destruir substâncias per e polifluoroalquil (PFAS), uma grande família de produtos químicos industriais conhecidos por inibir processos de degradação naturais e convencionais.
O primeiro método utiliza cavitação hidrodinâmica, que cria e colapsa pequenas bolhas de vapor na água contaminada. O segundo combina plasma atmosférico frio com dispersão de gás. Análises realizadas por especialistas do Centro Helmholtz de Pesquisa Ambiental (UFZ) confirmaram que as moléculas de PFAS estavam sendo degradadas e que havia liberação de flúor durante o tratamento.
Uma vez desenvolvidas o suficiente para utilização comercial, as tecnologias poderão ajudar as indústrias a tratar as águas residuais poluídas antes que estas cheguem aos rios, lagos e oceanos.
Por que o PFAS é tão difícil de destruir?
Alguns PFAS são suspeitos de danificar material genético e aumentar o risco de cancro, embora os efeitos biológicos de muitos compostos deste grupo ainda sejam pouco compreendidos. Mais de 10.000 produtos químicos industriais de cadeia curta e longa são classificados como PFAS.
Sua extraordinária estabilidade vem da ligação carbono-flúor altamente estável, uma das ligações mais fortes encontradas na química orgânica. Essa resistência rendeu ao PFAS o apelido de “produtos químicos para sempre”.
Os PFAS podem entrar em rios e oceanos através de águas residuais e já se espalharam por todo o mundo. Os investigadores identificaram recentemente elevadas concentrações no rio Elba, que representam potenciais riscos para a saúde de plantas, animais e seres humanos.
Como parte da “Estratégia Nacional da Água” da Alemanha, que visa proteger os recursos hídricos e garantir o abastecimento de água potável do país, os cientistas do HZDR estão a explorar formas de reduzir a contaminação por PFAS e destruir sistematicamente os produtos químicos, em vez de simplesmente removê-los ou transferi-los.
Um estudo preliminar começou em 2022 liderado pela pesquisadora de pós-doutorado Dra. Isabel Huacalo-Aguilar. Sua equipe testou se a cavitação hidrodinâmica poderia degradar o PFAS na água.
O colapso da bolha cria condições extremas
“Na cavitação hidrodinâmica, passamos água rica em PFAS através de um compressor, criando pequenas bolhas de vapor”, explica o Dr. Sebastian Reinecke, Chefe de Água e Tecnologia Ambiental da HZDR.
Os PFAS de cadeia longa comportam-se como surfactantes, fazendo com que se acumulem em bolhas. À medida que a água sai da constrição, a pressão aumenta e as bolhas colapsam violentamente.
“Quando as bolhas explodem sob o aumento da pressão ambiente na água a jusante da contração, os PFASs ligados às bolhas são expostos a picos de temperatura locais de vários milhares de graus Celsius”, explica Reinecke.
A cavitação produz radicais hidroxila altamente reativos. Estas moléculas reagem prontamente com substâncias próximas e podem ajudar a destruir compostos produzidos nas fases iniciais da degradação do PFAS.
“Nossa hipótese é que eles ataquem produtos intermediários, aumentando significativamente a degradação do PFAS”.
Huaccallo-Aguilar e seus colegas mostraram que a cavitação pode degradar o PFAS na água da torneira e mineralizar o flúor ligado organicamente. À medida que o tratamento continuava, a quantidade de flúor medida na água continuou a aumentar, indicando que o flúor estava a ser dissociado da molécula PFAS original.
Os testes se concentraram no perfluorooctano sulfonato (PFOS), um membro bem estudado e excepcionalmente persistente da família PFAS. Na conclusão do teste, o processo degradou cerca de 37% das moléculas de PFOS dissolvidas e manteve uma taxa de decomposição estável.
“Estamos agora realizando experimentos de acompanhamento para aumentar a taxa de degradação”, explica Reinecke. “Nosso objetivo é melhorar o processo para uma taxa de degradação de mais de 80% do PFAS em solução e mineralização de mais de 50% do flúor ligado aos produtos químicos – ou seja, quebrar as ligações carbono-flúor que caracterizam o PFAS.”
O plasma frio ataca rapidamente o PFAS
Em um conjunto separado de experimentos, o engenheiro ambiental Dr. Amit Kumar combinou plasma atmosférico frio com dispersão de gás para destruir o PFAS.
O método funciona em condições ambientais normais e não requer catalisadores ou adição de produtos químicos. Durante sua pesquisa de doutorado, Kumar estudou como as espécies químicas reativas produzidas pelo plasma podem decompor os micropoluentes. Ele adaptou essas descobertas para testes de PFAS.
“Criamos um plasma na superfície da água e ao mesmo tempo introduzimos o gás na água contaminada com PFAS”, diz Sebastian Reinecke, explicando a configuração experimental. “O PFAS adere à superfície das bolhas de gás. À medida que sobem, a água circula continuamente. Isso traz o PFAS à superfície, onde se decompõe em plasma.”
O tratamento com plasma degradou quase completamente os PFAS de cadeia longa e de cadeia curta. Essencialmente, libera cerca de 35% dos átomos de flúor ligados à substância química, convertendo-os em sais de flúor.
Os resultados foram mais rápidos que os produzidos pela cavidade, mas o método também apresentava falhas importantes.
“Embora este método tenha uma cinética de reação significativamente mais rápida do que a cavitação, ele consome muito mais energia por unidade de volume”, observa Reinecke. “Além disso, o processo produz numerosos produtos de transformação que ainda não conseguimos investigar em detalhes – por exemplo, compostos gasosos formados durante a reação”.
Testes adicionais estão em andamento para determinar se algum desses produtos de conversão pode representar um risco à saúde. Os investigadores querem identificar formas de prevenir a formação de substâncias potencialmente perigosas.
Cavitação e coordenação de plasma
A equipe está agora adaptando o sistema de plasma para tratar volumes maiores de água contaminada. Usando múltiplos eletrodos e um injetor de gás tecnológico, os pesquisadores estão aumentando o volume de reação de cerca de 50 mililitros para cinco litros.
Seu objetivo a longo prazo é combinar o tratamento de plasma com a cavitação hidrodinâmica, reunindo o poder de ambas as tecnologias em um único sistema.
“Acredito que alcançaremos altas taxas de degradação combinando espécies altamente reativas do plasma com efeitos de cavitação”, disse Reinecke.
Se a abordagem combinada for bem sucedida, poderá levar a uma tecnologia nova e mais eficiente para destruir os PFAS em águas contaminadas antes que os produtos químicos sejam libertados no ambiente.
Esta pesquisa foi financiada pelo Impulse and Networking Fund da Helmholtz Association no Clean Water Technology Lab (CLEWATEC), um Helmholtz Innovation Lab, sob o número de referência HIL-A02. Os projetos “HyKaPro SAB-EFRE” e “Plasma4PFAS SAB-EFRE” são cofinanciados pela União Europeia e receitas fiscais aprovadas no orçamento de estado do Parlamento Saxão.
