Los ingenieros químicos de la Universidad de Rice encontraron un catalizador eficiente para destruir los químicos PFAS "para siempre" donde menos lo esperaban.
"Fue el control", dijo el profesor de arroz Michael Wong, refiriéndose a la parte de un experimento científico donde los investigadores no esperan sorpresas. El grupo de control es el criterio de la ciencia experimental, la línea de base por la cual se miden las variables.
"Todavía no hemos probado esto a gran escala, pero en nuestras pruebas de laboratorio en el laboratorio, podríamos eliminar el 99% de PFOA en cuatro horas", dijo Wong sobre el nitruro de boro, el catalizador activado por la luz que ély sus estudiantes tropezaron y pasaron más de un año probando.
Su estudio, que está disponible en línea en la revista Environmental Science and Technology Letters de la American Chemical Society, encontró que el nitruro de boro destruyó el PFOA ácido perfluorooctanoico a un ritmo más rápido que cualquier fotocatalizador reportado anteriormente. El PFOA es uno de los PFAS perfluoroalquilo más prevalentesy sustancias de polifluoroalquilo, una familia de más de 4,000 compuestos desarrollados en el siglo XX para hacer recubrimientos para ropa impermeable, empaques de alimentos, sartenes antiadherentes e innumerables otros usos. Los PFAS han sido denominados químicos para siempre por su tendencia a permanecer en el medio ambiente, yLos científicos los han encontrado en la sangre de prácticamente todos los estadounidenses, incluidos los recién nacidos.
Los catalizadores son la especialidad de Wong. Son compuestos que provocan reacciones químicas sin tomar parte ni ser consumidos en esas reacciones. Su laboratorio ha creado catalizadores para destruir una serie de contaminantes, incluidos TCE y nitratos, y dijo que encargó a su equipoEncontrar nuevos catalizadores para abordar el PFAS hace unos 18 meses.
"Probamos muchas cosas", dijo Wong, presidente del Departamento de Ingeniería Química y Biomolecular en la Escuela de Ingeniería Brown de Rice. "Probamos varios materiales que pensé que iban a funcionar. Ninguno de ellos funcionó. Esto no fuese supone que funciona, y lo hizo "
El catalizador, polvo de nitruro de boro, o BN, es un mineral sintético disponible en el mercado que se usa ampliamente en maquillaje, productos para el cuidado de la piel, pastas térmicas que enfrían los chips de computadora y otros productos de consumo e industriales.
El descubrimiento comenzó con docenas de experimentos fallidos en catalizadores PFAS más probables. Wong dijo que pidió a dos miembros de su laboratorio, la estudiante visitante graduada Lijie Duan de la Universidad Tsinghua de China y el estudiante graduado Rice, Bo Wang, que hicieran experimentos finales en un conjunto decompuestos candidatos antes de pasar a otros.
"Había literatura que sugería que uno de ellos podría ser un fotocatalizador, lo que significa que se activaría con la luz de una longitud de onda particular", dijo Wong. "No usamos la luz muy a menudo en nuestro grupo, pero dije:"Avancemos y gateemos con él. 'El sol es energía libre. Veamos qué podemos hacer con la luz ".
Como antes, ninguno de los grupos experimentales funcionó bien, pero Duan notó algo inusual con el control de nitruro de boro. Ella y Wang repitieron los experimentos en numerosas ocasiones para descartar errores inesperados, problemas con la preparación de muestras y otras explicaciones para el extraño resultado.Seguían viendo lo mismo.
"Aquí está la observación", dijo Wong. "Se toma un matraz de agua que contiene algo de PFOA, se echa el polvo BN y se sella. Eso es todo. No es necesario agregar hidrógeno ni purgarlo".con oxígeno. Es solo el aire que respiramos, el agua contaminada y el polvo BN. Usted lo expone a la luz ultravioleta, específicamente a la luz UV-C con una longitud de onda de 254 nanómetros, regresa en cuatro horas, y el 99% de losEl PFOA se ha transformado en flúor, dióxido de carbono e hidrógeno ".
El problema era la luz. La longitud de onda de 254 nanómetros, que se usa comúnmente en las lámparas germicidas, es demasiado pequeña para activar el intervalo de banda en nitruro de boro. Aunque eso era indudablemente cierto, los experimentos sugirieron que no podría serlo.
"Si quitas la luz, no obtienes catálisis", dijo Wong. "Si dejas el polvo BN y solo usas la luz, no obtienes una reacción".
Por lo tanto, el nitruro de boro absorbía claramente la luz y catalizaba una reacción que destruía el PFOA, a pesar de que debería haber sido ópticamente imposible para el nitruro de boro absorber la luz UV-C de 254 nanómetros.
"No se supone que funcione", dijo Wong. "Es por eso que nadie pensó en buscar esto, y es por eso que nos llevó tanto tiempo publicar los resultados. Necesitábamos algún tipo de explicación para esta contradicción".
Wong dijo que él, Duan, Wang y sus coautores ofrecieron una explicación plausible en el estudio.
"Llegamos a la conclusión de que nuestro material absorbe la luz de 254 nanómetros, y es debido a defectos atómicos en nuestro polvo", dijo. "Los defectos cambian la brecha de banda. Lo encogen lo suficiente como para que el polvo absorba suficiente luz paracrear las especies oxidantes reactivas que mastican el PFOA "
Wong dijo que se necesitarán más pruebas experimentales para confirmar la explicación. Pero a la luz de los resultados con PFOA, se preguntó si el catalizador de nitruro de boro también podría funcionar en otros compuestos de PFAS.
"Entonces les pedí a mis alumnos que hicieran una cosa más", dijo Wong. "Hice que reemplazaran PFOA en las pruebas con GenX".
GenX también es un químico para siempre. Cuando se prohibió el PFOA, GenX era uno de los químicos más utilizados para reemplazarlo. Y una creciente evidencia sugiere que GenX podría ser un problema ambiental tan grande como su predecesor.
"Es una historia similar a PFOA", dijo Wong. "Están encontrando GenX en todas partes ahora. Pero una diferencia entre los dos es que las personas han reportado previamente algún éxito con catalizadores para degradar PFOA. No lo han hecho para GenX."
Wong y sus colegas descubrieron que el polvo de nitruro de boro también destruye GenX. Los resultados no fueron tan buenos como con PFOA: con dos horas de exposición a la luz de 254 nanómetros, BN destruyó alrededor del 20% del GenX en muestras de agua. Pero Wong dijoel equipo tiene ideas sobre cómo mejorar el catalizador para GenX.
Dijo que el proyecto ya ha atraído la atención de varios socios industriales en el Centro de Investigación de Ingeniería de Nanosistemas con sede en Rice para el Tratamiento de Agua Habilitado por Nanotecnología NEWT. NEWT es un centro de investigación de ingeniería interdisciplinario financiado por la National Science Foundation para desarrollar-sistemas de tratamiento de agua de red que protegen la vida humana y apoyan el desarrollo económico sostenible.
"La investigación ha sido divertida, un verdadero esfuerzo de equipo", dijo Wong. "Hemos presentado patentes sobre esto, y el interés de NEWT en más pruebas y desarrollo de la tecnología es un gran voto de confianza".
La investigación fue apoyada por la National Science Foundation EEC-1449500 y el China Scholarship Council.
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