Pesquisadores do Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) estão testando duas tecnologias projetadas para destruir substâncias per e polifluoroalquil (PFAS), uma ampla família de produtos químicos industriais conhecidos por sua resistência a processos de degradação naturais e convencionais.
A primeira abordagem utiliza cavitação hidrodinâmica, que cria e colapsa pequenas bolhas de vapor na água contaminada. O segundo combina um plasma atmosférico frio com uma dispersão gasosa. Análises realizadas por especialistas do Centro Helmholtz de Pesquisa Ambiental (UFZ) confirmaram que as moléculas de PFAS se decompõem e o flúor é liberado durante o processamento.
Se as tecnologias forem suficientemente desenvolvidas para utilização comercial, poderão ajudar a indústria a tratar águas residuais poluídas antes de estas entrarem em rios, lagos e oceanos.
Por que os PFAS são tão difíceis de erradicar?
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.
A sua extraordinária durabilidade deve-se às ligações carbono-flúor altamente estáveis, que estão entre as ligações mais fortes da química orgânica. Essa persistência rendeu ao PFAS o apelido de “o produto químico eterno”.
O PFAS pode entrar em rios e oceanos através de esgotos e já se espalhou por todo o mundo. Os investigadores também encontraram recentemente concentrações elevadas no rio Elba, representando um risco potencial 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 investigar formas de reduzir a contaminação por PFAS e destruir sistematicamente os produtos químicos, em vez de simplesmente removê-los ou movê-los.
O estudo anterior, iniciado em 2022, foi liderado pela doutoranda Dra. Isabelle Vaccala-Aguilar. Sua equipe estudou se a cavitação hidrodinâmica poderia degradar o PFAS na água.
Bolhas em colapso criam condições extremas
“Com a cavitação hidrodinâmica, passamos água enriquecida com PFAS através de uma constrição, criando pequenas bolhas de vapor”, explica o Dr. Sebastian Reineke, 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 escapa da área restrita, a pressão aumenta e as bolhas entram em colapso bruscamente.
“Quando as bolhas explodem sob o aumento da pressão atmosférica na água atrás da constrição, os PFASs ligados às bolhas ficam expostos a picos de temperatura locais de vários milhares de graus Celsius”, explica Reineke.
A cavitação também cria radicais hidroxila altamente reativos. Estas moléculas reagem prontamente com substâncias próximas e podem ajudar a quebrar os compostos formados nos estágios iniciais da degradação do PFAS.
“Nossa hipótese é que eles atacam os intermediários, aumentando muito a degradação do PFAS”.
Huaccallo-Aguilar e seus colegas demonstraram que a cavitação pode degradar o PFAS na água da torneira enquanto mineraliza o flúor ligado organicamente. À medida que o tratamento continuava, a quantidade de flúor medida na água aumentava constantemente, indicando que o flúor estava sendo separado das moléculas originais de PFAS.
Os experimentos se concentraram no perfluorooctanossulfonato (PFOS), um membro bem estudado e excepcionalmente persistente da família PFAS. De acordo com testes, o processo degrada cerca de 37% das moléculas de PFOS dissolvidas, mantendo ao mesmo tempo uma taxa de decomposição estável.
“Estamos agora conduzindo experimentos adicionais para aumentar a taxa de degradação”, explica Reineke. “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 ao produto químico – o que significa quebrar as ligações carbono-flúor típicas do 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 uma dispersão de gás para quebrar o PFAS.
O método funciona em condições ambientais normais e não requer catalisadores ou produtos químicos adicionais. Durante sua pesquisa de doutorado, Kumar estudou como os produtos químicos reativos formados no plasma podem decompor os micropoluentes. Ele adaptou esses resultados para os experimentos PFAS.
“Criamos um plasma na superfície da água enquanto injetamos o gás na água contaminada com PFAS”, diz Sebastian Reineke, explicando a configuração experimental. “Os PFASs fixam-se à superfície das bolhas de gás. À medida que sobem, a água circula constantemente. Isto traz os PFASs para a superfície, onde se decompõem no plasma.”
O tratamento com plasma degradou quase completamente os PFAS de cadeia longa e de cadeia curta. Também liberou cerca de 35% dos átomos de flúor originalmente ligados aos produtos químicos, transformando-os em sais de flúor.
Os resultados foram mais rápidos que os obtidos com cavitação, mas o método também apresentava desvantagens importantes.
“Embora este método tenha uma cinética de reação muito mais rápida do que a cavitação, ele também consome muito mais energia por unidade de volume”, observa Reineke. “Além disso, o processo gera muitos produtos de transformação que ainda não conseguimos investigar detalhadamente – por exemplo, os compostos gasosos que se formam durante a reação”.
Experimentos adicionais estão sendo conduzidos para determinar se algum desses produtos de transformação pode representar um risco à saúde. Os investigadores também querem determinar formas de prevenir a formação de substâncias potencialmente perigosas.
Combinação de cavitação e plasma
A equipe está agora adaptando o sistema de plasma para tratar mais água contaminada. Usando vários eletrodos e um injetor técnico de gás, os pesquisadores aumentaram o volume de reação de cerca de 50 mililitros para cinco litros.
Seu objetivo de longo prazo é combinar o processamento de plasma com a cavitação hidrodinâmica, combinando os pontos fortes de ambas as tecnologias em um único sistema.
“Acredito que alcançaremos altas taxas de degradação combinando substâncias altamente reativas do plasma com o efeito de cavitação”, afirma Reineke.
Se a abordagem combinada for bem-sucedida, poderá levar a uma tecnologia nova e mais eficaz para destruir os PFAS em águas contaminadas antes que os produtos químicos sejam libertados no ambiente.
Esta pesquisa foi financiada pelo Pulse and Network Fund da Associação Helmholtz através do Laboratório de Tecnologia de Água Limpa (CLEWATEC), um Laboratório de Inovação Helmholtz, sob o número de concessão HIL-A02. Os projetos “HyKaPro SAB-EFRE” e “Plasma4PFAS SAB-EFRE” são financiados conjuntamente pela União Europeia e receitas fiscais aprovadas pelo Parlamento da Saxónia no seu orçamento de estado.
