Em resumo
Pesquisadores criaram uma membrana que retira da água seis tipos de poluentes difíceis de eliminar e também ajuda a quebrá-los, em vez de apenas concentrá-los em resíduos. Em testes, ela removeu até 96% dos poluentes e alterou parte deles durante 58 dias de funcionamento contínuo. Ainda é preciso aprimorar a tecnologia, sobretudo para reduzir a quantidade de paládio, um metal caro.
Da separação dos poluentes ao desafio de desfazê-los
Tratar água contaminada por compostos PFAS envolve dois desafios: retirar essas substâncias da água e decidir o que fazer com elas depois. Uma equipe da Arizona State University e de instituições parceiras desenvolveu uma solução experimental que reúne as duas etapas em uma membrana catalítica. Ela atrai os poluentes para a própria superfície e cria condições que ajudam a romper algumas das ligações químicas que os tornam tão persistentes. Os resultados, publicados na revista Proceedings of the National Academy of Sciences, apontam para uma alternativa a simplesmente transferir os contaminantes da água para outro tipo de resíduo.
Os PFAS são um grupo de compostos cujas moléculas contêm ligações entre átomos de carbono e flúor. Essas ligações são muito fortes, o que dificulta a decomposição dos compostos pelos métodos convencionais. Por isso, às vezes eles são chamados de substâncias eternas. O apelido não significa que sejam absolutamente impossíveis de alterar, mas que sua resistência à degradação torna seu tratamento complexo.
Técnicas como o carvão ativado, a troca iônica e a filtração por membranas conseguem retirar PFAS da água. Mas remover um contaminante do líquido não significa necessariamente eliminá-lo: ele pode acabar concentrado em um material usado ou em um fluxo de resíduos que ainda precisará de tratamento. Assim, uma técnica pode reduzir a contaminação da água em determinado local e, ao mesmo tempo, deixar para trás resíduos poluentes que precisam ser recolhidos, armazenados ou processados.
A nova abordagem busca fazer com que a membrana seja mais do que uma barreira que separa os poluentes da água. Ela funciona como uma superfície que captura os compostos e também contém um catalisador químico, capaz de permitir que o hidrogênio ativo reaja com eles. A remoção de átomos de flúor das moléculas com a ajuda do hidrogênio é chamada de desfluoração por hidrogenação. É essa etapa que dá à tecnologia um objetivo além de apenas transferir os PFAS de um lugar para outro.
Fibras minúsculas aproximam o poluente e o hidrogênio
O sistema é formado por fibras da membrana revestidas com paládio, um metal que atua como catalisador nesse processo. O gás hidrogênio passa pelas fibras e chega à camada de paládio. Nesse ponto, surgem duas formas de hidrogênio ativo. Elas ocupam posições diferentes e desempenham funções distintas no material, mas atuam em conjunto no tratamento do poluente.
Uma delas fica na superfície do paládio e ajuda a atrair os compostos PFAS, mantendo-os perto do local onde ocorre a reação. A outra penetra no paládio e fica armazenada na forma de hidreto de paládio na fase beta. Essa reserva contribui para fornecer a força necessária às reações de desfluoração. Com esse arranjo, o sistema não depende apenas de o poluente passar perto de um catalisador: ele reúne o contaminante e o hidrogênio no mesmo ambiente de superfície e aproveita o hidrogênio armazenado no metal.
De forma simplificada, a ideia lembra uma pequena estação de trabalho instalada nas fibras da membrana: a superfície atrai as moléculas desejadas, o hidrogênio chega até elas e a reação química acontece perto do ponto de encontro. A comparação, porém, não significa que todas as moléculas que passam pelo sistema se decomponham do mesmo modo. Os resultados variaram entre os compostos, e as porcentagens de remoção e de desfluoração não foram iguais.
Para investigar o que acontece dentro do material, a equipe realizou análises no estado sólido. Os resultados mostraram a formação de hidreto de paládio e também uma expansão da estrutura cristalina do metal, associada ao armazenamento de hidrogênio. Essas observações ajudam a compreender como o hidrogênio ativo é produzido, armazenado e usado dentro da membrana, em vez de se medir apenas quanto contaminante deixou de aparecer na água.
Seis compostos testados durante 58 dias
Os pesquisadores testaram a membrana em seis compostos de relevância regulatória: PFOA, PFOS, PFNA, PFHxS e PFBS, além de GenX. O sistema funcionou continuamente durante 58 dias. No melhor resultado, removeu 96% dos poluentes analisados, enquanto a taxa de desfluoração chegou a 83%.
Esses dois números descrevem etapas diferentes do tratamento. A remoção indica quanto do contaminante deixou de ser detectado na água que saiu do sistema, de acordo com as medições do experimento. Já a desfluoração se refere à transformação química que busca alterar as ligações entre átomos de carbono e flúor. Por isso, a porcentagem de remoção, por si só, não quer dizer que tudo o que saiu da água tenha sido completamente decomposto. O outro indicador dá uma ideia de quanto dessa transformação química foi alcançada.
Além disso, os valores máximos não significam que cada um dos seis compostos tenha apresentado o mesmo resultado. O desempenho da membrana dependeu da estrutura de cada molécula. Os PFAS de cadeia longa foram removidos e desfluorados mais rapidamente do que os compostos semelhantes de cadeia curta. Essa diferença é importante quando se pensa no tratamento de águas com uma mistura de contaminantes: ao passar pela membrana, a mistura não necessariamente se comporta como se fosse uma única substância.
Por que GenX foi mais resistente?
GenX foi mais difícil de tratar do que os outros compostos testados, mas a membrana conseguiu processá-lo: houve remoção e desfluoração, e o tratamento produziu ácido 2-propoxipropanoico. Esse resultado mostra que avaliar a tecnologia não é apenas verificar se ela reage ou não com uma substância. Também é preciso considerar a velocidade da reação e o grau de transformação alcançado para cada composto.
Os pesquisadores atribuíram a resistência de GenX a um conjunto de características: a presença de uma ligação éter, a menor facilidade com que ele se adsorve à superfície do paládio em comparação com outros compostos e a maior energia média necessária para romper suas ligações entre átomos de carbono e flúor. Quando uma molécula é menos atraída pela superfície do catalisador, ela pode ficar menos disponível perto dos pontos de reação. E, se suas ligações são mais difíceis de romper, sua decomposição se torna mais desafiadora. Esses fatores ajudam a explicar as diferenças entre os compostos, sem que uma única causa explique necessariamente todas elas.
A comparação entre compostos de cadeia longa e curta, assim como os resultados de GenX, indica que o tratamento precisa levar em conta a identidade do poluente, em vez de considerar todos os materiais do grupo PFAS como iguais. A estrutura química de cada composto pode influenciar tanto sua aderência à membrana quanto a facilidade com que perde flúor. O experimento demonstra que a abordagem funcionou com seis compostos, mas não comprova que terá o mesmo desempenho diante de todos os integrantes desse amplo grupo.
O que diferencia essa abordagem?
A importância do sistema está em reunir a captura do poluente e sua transformação química em uma única plataforma. Em muitos processos de separação, o objetivo principal é retirar o contaminante da água, mas ainda é necessário tratar o material que o reteve. A membrana catalítica busca permitir que a reação aconteça na própria superfície onde ocorre a remoção, aproveitando a interação do paládio com os PFAS e com o hidrogênio.
Segundo o estudo, o sistema funciona em condições ambientes, o que o diferencia de soluções que podem exigir condições de operação mais severas. Mas esse dado, sozinho, não permite avaliar o custo de funcionamento nem a facilidade de ampliar a tecnologia. A aplicação prática exigirá outros cálculos de engenharia e operação que não foram apresentados nos resultados descritos. Da mesma forma, o teste contínuo de 58 dias é uma avaliação prolongada no contexto do estudo, mas não prova, por si só, que o desempenho se manterá em todos os tipos de água ou por períodos ainda mais longos.
O estudo foi liderado por Bruce Rittmann, diretor do Swette Center for Environmental Biotechnology, no Biodesign Institute da Arizona State University. Também participaram pesquisadores da Rice University, da Tongji University, da National University of Singapore e da Nanjing University. O trabalho foi publicado na revista Proceedings of the National Academy of Sciences e descreve o desenvolvimento de membranas catalíticas que usam hidrogênio ativo para capturar seis compostos PFAS e remover deles o flúor.
Do laboratório aos fluxos concentrados de resíduos
A equipe não apresenta a membrana como uma substituta pronta para todas as tecnologias já usadas na remoção de PFAS. Uma possibilidade é aplicá-la aos fluxos concentrados de resíduos produzidos por alguns sistemas de tratamento existentes. Nesse cenário, a nova tecnologia poderia tratar um líquido ou resíduo em que os contaminantes já foram concentrados, em vez de tentar substituir de uma só vez todas as etapas de tratamento em uso.
Há, porém, um obstáculo prático evidente: o paládio é caro. Reduzir a quantidade desse metal necessária sem prejudicar a eficiência de captura e transformação será, portanto, uma parte importante do desenvolvimento do sistema. Os resultados obtidos em experimentos não bastam para determinar se a tecnologia é adequada para uso amplo. Também será preciso que a quantidade de catalisador, o custo de operação e o tratamento dos produtos resultantes sejam razoáveis para a aplicação pretendida.
Os pesquisadores também estão desenvolvendo membranas híbridas que combinam paládio com bactérias capazes de decompor poluentes. Essa ideia, contudo, é uma linha de pesquisa relacionada, e não uma descrição do sistema testado no estudo atual. A membrana que apresentou resultados ao longo de 58 dias usa paládio e hidrogênio, não microrganismos. Distinguir as duas abordagens é importante para não atribuir ao experimento atual resultados ou componentes que não fizeram parte dele.
Conclusão
As membranas revestidas com paládio apresentam uma forma de tratar PFAS que combina a retirada dos compostos da água com uma tentativa de romper suas ligações químicas, em vez de apenas concentrá-los em outros resíduos. Em um teste com seis compostos, incluindo GenX, realizado ao longo de 58 dias, a remoção chegou a 96% e a desfluoração, a 83%. O desempenho variou conforme a estrutura de cada substância: os compostos de cadeia longa foram tratados mais rapidamente, enquanto GenX foi mais resistente, embora o processo tenha produzido ácido 2-propoxipropanoico. Para que a tecnologia possa avançar rumo ao uso prático, será necessário reduzir a quantidade de paládio e avaliar onde o sistema funciona melhor, inclusive no tratamento de fluxos de resíduos concentrados. Os resultados são promissores, mas ainda não representam uma solução pronta para todas as formas de contaminação da água por PFAS.