Uma equipa de investigação da Rice University, em colaboração com colaboradores internacionais, criou a primeira tecnologia ambientalmente segura que pode capturar e decompor rapidamente “produtos químicos permanentes” tóxicos (PFAS) na água. Resultados publicados recentemente em Materiais adicionaisrepresentam um progresso significativo no combate a uma das ameaças de poluição mais persistentes do mundo.
O projeto foi liderado por Youngkun Chung, um estudante de doutorado orientado por Michael S. Wong, professor da Escola de Engenharia e Computação George R. Brown de Rice. O esforço também incluiu Seoktae Kang, professor do Instituto Avançado de Ciência e Tecnologia da Coreia (KAIST), e Keon-Ham Kim, professor da Universidade Nacional Pukyong, na Coreia do Sul.
O que são PFAS e por que são um problema?
PFAS, abreviação de substâncias per e polifluoroalquil, são produtos químicos produzidos pelo homem que datam da década de 1940. Eles têm sido usados em muitos produtos de uso diário, incluindo panelas de Teflon, roupas impermeáveis e algumas embalagens de alimentos. Os PFASs tornaram-se populares porque resistem ao calor, à gordura e à água, mas essa mesma durabilidade também significa que se decompõem muito lentamente, por isso são frequentemente chamados de “produtos químicos eternos”.
Os PFAS estão agora difundidos e podem ser encontrados na água, no solo e no ar em todo o mundo. Estudos relacionaram a exposição a danos no fígado, distúrbios reprodutivos, comprometimento do sistema imunológico e alguns tipos de câncer. A limpeza tem sido difícil porque, uma vez que os PFAS entram no ambiente, são difíceis de remover e ainda mais difíceis de destruir.
Por que os métodos atuais de remoção de PFAS são insuficientes
Muitas abordagens padrão dependem de adsorção, o que significa que os produtos químicos aderem a materiais como carvão ativado ou resinas de troca iônica. Estes métodos são comuns, mas têm sérias limitações, incluindo baixa eficiência, operação lenta, capacidade limitada e acumulação de resíduos contaminados adicionais que ainda precisam de ser tratados.
“Os métodos atuais para remover PFAS são muito lentos, ineficientes e criam resíduos secundários”, disse Wong, professor de nanotecnologia molecular Tina e Sunit Patel e professor de engenharia química e biomolecular, química, engenharia civil e ambiental. “Nossa nova abordagem oferece uma alternativa sustentável e altamente eficaz.”
Material LDH revolucionário que funciona rápido
A nova abordagem é construída em torno de um material de hidróxido duplo em camadas (LDH) feito de cobre e alumínio. Kim identificou esse tipo de material pela primeira vez quando era estudante de graduação na KAIST em 2021. À medida que Chang estudava mais esses compostos, ele descobriu que uma versão específica contendo nitrato poderia adsorver PFAS com eficiência incomumente alta.
“Para minha surpresa, este composto LDH capturou PFAS mais de 1.000 vezes melhor do que outros materiais”, disse Chang, principal autor do estudo e agora membro do Instituto WaTER (Tecnologia da Água, Empresa e Pesquisa) e Instituto de Sustentabilidade da Rice. “Ele também funcionou incrivelmente rápido, removendo grandes quantidades de PFAS em minutos, cerca de 100 vezes mais rápido que os filtros de carbono comerciais”.
Os pesquisadores afirmam que os resultados impressionantes se devem ao design interno do material. Suas camadas ordenadas de cobre-alumínio, juntamente com um ligeiro desequilíbrio de carga, criam uma superfície altamente favorável à qual as moléculas de PFAS podem se fixar rápida e fortemente.
Testado em água de rio, água da torneira e águas residuais
Para ver se o sistema poderia funcionar bem fora do laboratório, a equipe testou o material LDH na água do rio, na água da torneira e no esgoto. Ele permaneceu muito eficaz em todos os três. Ele também teve um bom desempenho em testes de fluxo estático e contínuo, indicando uso potencial em sistemas municipais de tratamento de água e tratamento industrial.
Fechando o ciclo com a destruição e reutilização de PFAS
Capturar PFAS é apenas metade da batalha, pois os produtos químicos ainda precisam ser destruídos com segurança. Trabalhando com os professores da Rice, Pedro Alvarez e James Tour, Chang desenvolveu um processo para decompor termicamente os PFAS depois que eles ficam presos no material LDH. Quando o material carregado de PFAS foi aquecido com carbonato de cálcio, os pesquisadores removeram mais da metade do PFAS preso sem liberar subprodutos tóxicos. Essa mesma etapa também regenerou o HDL, possibilitando o reaproveitamento do material.
Os primeiros testes mostraram que o material pode passar por pelo menos seis ciclos completos de captura, destruição e renovação. Isso o torna o primeiro sistema de remoção de PFAS sustentável e ecologicamente correto que combina limpeza rápida com reutilização.
Cooperação internacional e apoio à investigação
“Estamos entusiasmados com o potencial desta tecnologia única baseada em LDH para mudar a forma como as fontes de água contaminadas com PFAS são tratadas num futuro próximo”, disse Wong. “Este é o resultado de uma extraordinária cooperação internacional e da criatividade de jovens investigadores”.
Uma lista de todos os pesquisadores envolvidos neste estudo e sua afiliação institucional pode ser encontrada aqui. Esta pesquisa foi apoiada pelo Programa de Pesquisa Científica Básica através da Fundação Nacional de Pesquisa da Coreia, financiado pelo Ministério da Educação (2021R1A6A3A14044449, RS-2023-00242795), bolsas da Pesquisa Convergente Nacional sobre Questões Científicas e da Sejong Science Fellowship através da Fundação Nacional de Pesquisa da Coreia e financiamento do Ministério da Ciência (NRF-2022M3C1C8094245) e TIC (RS-2024-00395438). Este trabalho também foi financiado pela Saudi Aramco-KAIST CO2 Management, Centro de Pesquisa de Engenharia de Nanosistemas para Tratamento de Água Habilitado por Nanotecnologia (NEWT), bolsa do Corpo de Engenheiros do Exército dos EUA (W912HZ-21-2-0050), Instituto de Sustentabilidade do Arroz e Instituto de Água do Arroz.
