Plasma contra productos químicos tóxicos PFAS

La atmósfera de plasma es claramente visible en el reactor a través del resplandor característico y los destellos de luz. © Fraunhofer IGB

Reactor de plasma: Se crea un plasma aplicando voltaje al electrodo de cobre. El agua contaminada se bombea hacia arriba y fluye de regreso hacia abajo a través de un espacio en la zona de descarga de plasma, atacando a los PFAS en el proceso. © Fraunhofer IGB

Reactor de plasma: El plasma se crea aplicando voltaje al electrodo de cobre. El agua contaminada se bombea hacia arriba y fluye de regreso a través de un espacio en la zona de descarga de plasma, atacando los PFAS en el proceso. © Fraunhofer IGB

Planta piloto para la eliminación de PFAS. Tras los primeros ensayos exitosos, la tecnología también debe optimizarse y escalarse para aplicaciones prácticas a nivel industrial. © Fraunhofer IGB / Planta piloto para la eliminación de PFAS. Tras el éxito inicial de las pruebas, la tecnología ahora se optimizará y escalará para aplicaciones prácticas a escala industrial. © Fraunhofer IGB

Los químicos dañinos para la salud PFAS ya son detectables en muchos suelos y cuerpos de agua. La eliminación con técnicas de filtración convencionales es muy laboriosa y casi inviable. Investigadores del Instituto Fraunhofer para Tecnología de Fronteras y Procesos Biológicos IGB están logrando un avance exitoso en un proyecto conjunto con una tecnología basada en plasma. El agua contaminada se introduce en un cilindro combinado de vidrio y acero inoxidable y allí se trata con el gas ionizado — el plasma. Esto reduce las cadenas moleculares de PFAS y permite una eliminación rentable de la sustancia tóxica.

Los compuestos de alquil fluorados per y poli, abreviados: PFAS (en inglés: per- and polyfluoroalkyl substances), tienen muchas propiedades. Son térmicamente y químicamente estables, además de repelentes al agua, grasa y suciedad. Por ello, se encuentran en muchas aplicaciones cotidianas: las cajas de pizza están recubiertas con ellos o también papel para hornear, así como champús y cremas. En la industria, los PFAS se utilizan como agentes extintores y de red. En la agricultura, se emplean en pesticidas. Sin embargo, actualmente también se pueden detectar rastros de PFAS donde no deberían estar: en el suelo, en ríos y aguas subterráneas, en alimentos y en agua potable. De esta forma, las sustancias dañinas acaban en el cuerpo humano. Debido a su estabilidad química, la eliminación de las llamadas químicas eternas hasta ahora es muy difícil y requiere un esfuerzo considerable.

El proyecto conjunto AtWaPlas pretende cambiar esto. La sigla significa Tratamiento de Plasma de Agua Atmosférico. El innovador proyecto se está desarrollando actualmente en el Instituto Fraunhofer para Tecnología de Fronteras y Procesos Biológicos IGB en Stuttgart, en colaboración con el socio industrial HYDR.O. Geólogos e ingenieros de Aquisgrán están impulsando el proyecto. El objetivo es el tratamiento y recuperación de aguas contaminadas con PFAS mediante plasma.

El equipo de investigación dirigido por el Dr. Georg Umlauf, experto en superficies funcionales y materiales, aprovecha la capacidad del plasma para atacar las cadenas moleculares de las sustancias. El gas conductor de electricidad se genera a partir de electrones e iones mediante la aplicación de alta tensión. «En nuestros experimentos con plasma, logramos acortar las cadenas moleculares de PFAS en el agua. Esto es un paso importante hacia una eliminación eficiente de estos contaminantes persistentes», comenta Umlauf.

Ciclo del agua en el cilindro de acero inoxidable

Para el proceso, los investigadores del Fraunhofer utilizan una estructura en forma de cilindro. En su interior hay un tubo de acero inoxidable que funciona como electrodo de masa del circuito eléctrico. Una malla de cobre exterior actúa como electrodo de alta tensión y está protegida en su parte interna por un dieléctrico de vidrio. Entre ambos queda un pequeño espacio que se llena con una mezcla de aire. Al aplicar varias kilovoltios de tensión, esta mezcla de aire se transforma en plasma. Para el ojo humano, es visible por su característico resplandor y por las descargas en forma de relámpagos.

En el proceso de limpieza, el agua contaminada con PFAS se introduce en el fondo del tanque de acero y se bombea hacia arriba. En el espacio entre los electrodos, fluye hacia abajo atravesando la atmósfera de plasma activa eléctricamente. Durante la descarga, el plasma rompe las cadenas moleculares de PFAS y las acorta. El agua se recircula continuamente a través del reactor de mayor potencia y la zona de descarga de plasma en el espacio, reduciendo aún más las cadenas moleculares de PFAS hasta su completa mineralización. «En el mejor de los casos, los compuestos dañinos de PFAS se eliminan por completo, de modo que no son detectables en mediciones de espectrometría de masas. Así, también se cumplen las estrictas regulaciones de la normativa de agua potable respecto a la concentración de PFAS», explica Umlauf.

En comparación con métodos convencionales como la filtración con carbón activado, la tecnología desarrollada en el Instituto Fraunhofer tiene una ventaja decisiva: «Los filtros de carbón activado pueden retener las sustancias dañinas, pero no eliminarlas. Por lo tanto, los filtros deben cambiarse y desecharse regularmente. La tecnología AtWaPlas, en cambio, puede eliminar las sustancias dañinas sin residuos y funciona de manera muy eficiente y con bajo mantenimiento», explica el experto de Fraunhofer Umlauf.

Muestras de agua reales en lugar de muestras sintéticas de laboratorio

Para garantizar una relevancia práctica real, los investigadores del Fraunhofer prueban la limpieza con plasma en condiciones algo más difíciles. Los métodos de prueba convencionales trabajan con agua perfectamente limpia y soluciones sintéticas de PFAS preparadas en laboratorio. Sin embargo, el equipo de investigación en Stuttgart utiliza «muestras reales» de agua provenientes de áreas contaminadas con PFAS. Las muestras son entregadas por el socio del proyecto, HYDR.O. Geólogos e ingenieros GbR de Aquisgrán. La empresa se especializa en la rehabilitación de sitios contaminados y también realiza simulaciones hidrodinámicas.

Las muestras reales de agua con las que trabaja Umlauf y su equipo contienen, además de PFAS, otras partículas, sólidos en suspensión y sustancias orgánicas. «De esta manera, aseguramos que AtWaPlas demuestre su efecto de limpieza no solo con muestras sintéticas de laboratorio, sino también en condiciones reales con diferentes calidades de agua. Al mismo tiempo, podemos ajustar y mejorar continuamente los parámetros del proceso», explica Umlauf.

El método de plasma también puede utilizarse para descomponer otras sustancias dañinas. Entre ellas, residuos de medicamentos en aguas residuales, pesticidas y herbicidas, así como productos químicos industriales como el cianuro. Además, AtWaPlas también es adecuado para el tratamiento respetuoso con el medio ambiente y rentable del agua potable en aplicaciones móviles.

El proyecto conjunto AtWaPlas comenzó en julio de 2021. Tras las exitosas series de experimentos a escala de laboratorio con un reactor de 5 litros, el equipo del Fraunhofer trabaja junto con el socio del consorcio para seguir optimizando el proceso. Georg Umlauf afirma: «Nuestro objetivo ahora es eliminar completamente los PFAS tóxicos mediante tiempos de proceso prolongados y más ciclos en el tanque, y hacer que la tecnología AtWaPlas esté disponible también para aplicaciones prácticas a mayor escala». En el futuro, estas instalaciones podrían instalarse como una etapa de limpieza independiente en plantas de tratamiento de agua o en contenedores transportables para su uso en terrenos contaminados al aire libre.