Nova tecnologia elimina “produtos químicos para sempre” com velocidade e eficiência recordes

O projeto foi liderado por Youngkun Chung, um pós-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 Pukyung, 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 PFAS tornaram-se populares porque resistem ao calor, à gordura e à água, mas a mesma durabilidade também significa que se decompõem muito lentamente, razão pela qual são frequentemente chamados de “produtos químicos para sempre”.

Os PFAS já se espalharam amplamente e podem ser encontrados na água, no solo e no ar em todo o mundo. A pesquisa relacionou a exposição a danos no fígado, distúrbios reprodutivos, perturbações do sistema imunológico e certos 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 grandes limitações, incluindo baixa eficiência, operação lenta, capacidade limitada e a acumulação de resíduos contaminados adicionais que ainda têm de ser tratados.

“Os métodos atuais para remoção de 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 e engenharia civil e ambiental. “Nossa nova abordagem oferece uma alternativa sustentável e altamente eficaz.”

O material LDH inovador 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 a equipe explorava mais esses compostos, Chung descobriu que uma versão específica contendo nitrato poderia adsorver PFAS com desempenho incomumente alto.

“Para minha surpresa, este composto LDH capturou PFAS mais de 1.000 vezes melhor do que outros materiais”, disse Chung, principal autor do estudo e agora membro do Instituto WaTER (Tecnologias de Água, Empreendedorismo 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 dizem que os resultados impressionantes vêm do design interno do material. Suas camadas ordenadas de cobre-alumínio, juntamente com pequenos desequilíbrios de carga, criam uma superfície altamente favorável onde as moléculas de PFAS podem se fixar rápida e fortemente.

Testado em água de rio, água de torneira e águas residuais

Para ver o desempenho do sistema fora do laboratório, a equipe testou o material LDH em água de rio, água de torneira e águas residuais. Em todos os três, permaneceu altamente eficaz. Ele também teve um bom desempenho em testes estáticos e configurações de fluxo contínuo, apontando para possível uso em sistemas municipais de tratamento de água e limpeza industrial.

Fechando o ciclo com destruição e reutilização de PFAS

Capturar PFAS é apenas metade da batalha, uma vez que os produtos químicos ainda precisam ser destruídos com segurança. Trabalhando com os professores da Rice, Pedro Alvarez e James Tour, Chung desenvolveu um processo para decompor termicamente os PFAS depois de serem capturados no material LDH. Quando o material carregado com PFAS foi aquecido com carbonato de cálcio, os pesquisadores removeram mais da metade do PFAS preso sem liberar subprodutos tóxicos. A mesma etapa também regenerou o HDL, possibilitando o reaproveitamento do material.

Os primeiros testes mostraram que o material poderia passar por pelo menos seis ciclos completos de captura, destruição e renovação. Isso o torna o primeiro sistema ecológico e sustentável conhecido para remoção de PFAS que combina limpeza rápida com reutilização repetida.

Colaboração Internacional e Apoio à Pesquisa

“Estamos entusiasmados com o potencial desta tecnologia única baseada em LDH para transformar a forma como as fontes de água contaminadas com PFAS são tratadas num futuro próximo”, disse Wong. “É o resultado de uma extraordinária colaboração internacional e da criatividade de jovens investigadores.”

Uma lista de todos os pesquisadores envolvidos neste estudo e suas afiliações institucionais 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), subsídios da Pesquisa de Convergência Nacional de Desafios Científicos 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), concessão do Centro de Pesquisa e Desenvolvimento de Engenharia do Corpo de Engenheiros do Exército dos EUA (W912HZ-21-2-0050), Rice Sustainability Institute e Rice WaTER Institute.