Un nuovo metodo per la lotta contro le sostanze chimiche perpetue

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Un nuovo metodo che utilizza la piezocatalisi può degradare i PFAS nell’ac
Un nuovo metodo che utilizza la piezocatalisi può degradare i PFAS nell’acqua. (Illustrazione: Nico Garcia)
I ricercatori del Politecnico di Zurigo hanno sviluppato un nuovo metodo per abbattere un pericoloso sottogruppo di PFAS, noto come PFOS. Con l’aiuto di nanoparticelle e ultrasuoni, la piezocatalisi potrebbe offrire in futuro un’alternativa efficace ai processi esistenti.

Schiume antincendio, pentole antiaderenti, tessuti idrorepellenti e pesticidi hanno tutti una cosa in comune: contengono i cosiddetti PFAS (sostanze alchiliche perfluorurate e polifluorurate), sostanze chimiche prodotte dall’uomo che non si decompongono naturalmente. Non c’è quindi da stupirsi se i PFAS stanno contaminando il suolo e l’acqua e possono essere rilevati anche nel corpo di uomini e animali. I pericoli sono ben noti: Le sostanze chimiche eterne possono danneggiare il fegato, innescare disturbi ormonali e causare il cancro, tra le altre cose.

I ricercatori del gruppo di Salvador Pané i Vidal, professore presso l’Istituto di Robotica e Sistemi Intelligenti, hanno sviluppato un nuovo metodo per scomporre un sottogruppo di PFAS, i PFOS (perfluorottano sulfonati). I PFOS sono ora soggetti a severe restrizioni o addirittura vietati a causa della loro tossicità. "Il problema principale è che le molecole sono costituite da lunghe catene di carbonio circondate da atomi di fluoro. Questo legame carbonio-fluoro è così forte che è necessaria molta energia per romperlo", spiega Andrea Veciana, dottoranda presso Pané i Vidal.

Rompere le molecole con gli ultrasuoni e le nanoparticelle

Per rompere le molecole di PFOS e quindi degradarle in acqua, i ricercatori hanno utilizzato per la prima volta la catalisi piezoelettrica. Piezo si riferisce alla piezoelettricità, una tensione elettrica che si genera durante la deformazione meccanica. La catalisi si riferisce all’accelerazione di una reazione chimica mediante l’uso di sostanze adatte. "Abbiamo sviluppato nanomateriali piezoelettrici. A occhio nudo, questo materiale sembra un po’ sabbia", spiega Veciana. In un bagno a ultrasuoni, queste particelle si caricano elettricamente e agiscono come catalizzatori. Pané i Vidal aggiunge: "È questa carica elettrica che mette in moto l’intera catena di reazioni e rompe le molecole di PFOS pezzo per pezzo. Ecco perché le nanoparticelle sono chiamate piezoelettriche".

Per misurare la concentrazione di PFOS nei campioni, i ricercatori hanno collaborato con Samy Boulos, specialista in analisi presso il Food Biochemistry Laboratory. Utilizzando uno spettrometro di massa, i ricercatori hanno potuto dimostrare che il 90,5% delle molecole di PFOS era degradato. "Va aggiunto, tuttavia, che abbiamo lavorato con una concentrazione molto alta, pari a quattro milligrammi per litro", spiega Veciana. "In natura, ad esempio nei laghi e nei fiumi, la concentrazione di PFOS è inferiore a un microgrammo per litro. Più bassa è la concentrazione, più tempo impiega il PFOS a degradarsi". Alcune tecnologie attualmente in fase di sviluppo concentrano prima l’acqua e solo successivamente distruggono i PFOS. Questo sarebbe un passo importante anche per la piezocatalisi, che dovrebbe essere implementata in un’applicazione specifica come le acque reflue dell’industria chimica.

Meglio dei metodi precedenti

Il potenziale del nuovo metodo diventa chiaro se si considerano le opzioni esistenti per la degradazione dei PFAS. "Un metodo è la decomposizione termica, che richiede molta energia a oltre 1000 gradi Celsius", spiega Veciana. I PFAS possono essere degradati anche con la fotocatalisi. Si tratta di un processo simile alla piezocatalisi, ma al posto dell’energia meccanica si usa la luce per attivare il catalizzatore. Il problema principale di questo metodo è che in pratica viene utilizzato per trattare le acque reflue. Queste sono torbide e solo poca luce riesce a penetrare. Veciana cita un terzo metodo: "Si può anche usare l’assorbimento. Si tratta di utilizzare una sorta di spugna che assorbe gli inquinanti dall’acqua. Ma questo sposta il problema da un luogo all’altro. Perché ora bisogna trovare una soluzione per la spugna impregnata di PFAS".

Gli svantaggi dei metodi esistenti sono stati uno dei motivi che hanno spinto i ricercatori a cercare un nuovo modo per abbattere i PFAS. La piezocatalisi ha il vantaggio di funzionare con diverse fonti di energia meccanica. "Se l’acqua deve essere purificata negli impianti di trattamento delle acque reflue e c’è già turbolenza nell’acqua, questa energia potrebbe essere utilizzata per abbattere i PFAS nell’acqua", spiega Veciana.

Lavorare insieme contro i PFAS

Purtroppo, i risultati ottenuti dai ricercatori in laboratorio con campioni d’acqua di 50 millilitri non possono ancora essere trasferiti alla pratica. "La scalabilità del nostro metodo è una delle sfide più grandi", afferma Pané i Vidal. "Tuttavia, siamo riusciti a dimostrare che la piezocatalisi funziona come metodo per degradare i PFOS e presenta dei vantaggi rispetto ai metodi precedenti". Il metodo può essere applicato non solo ai PFOS, ma a tutti i PFAS e ad altri microinquinanti.

In generale, si dovrebbero utilizzare metodi per abbattere i PFAS prima che le sostanze chimiche vengano rilasciate nell’ambiente, ad esempio negli impianti di trattamento delle acque reflue delle aziende industriali o nell’acqua raccolta dall’agricoltura che deve essere riutilizzata. "Le aziende dovrebbero adottare tutte le misure possibili per garantire che l’acqua che scaricano nell’ambiente sia il più pulita possibile", afferma Pané i Vidal. Veciana aggiunge: "I PFAS sono un problema globale che dovrebbe essere affrontato innanzitutto attraverso cambiamenti politici e maggiore trasparenza". I media hanno già parlato molto di un divieto dei PFAS e di regolamenti più severi per costringere l’industria a essere più trasparente sull’uso dei PFAS. Veciana sottolinea: "Tuttavia, è anche importante promuovere l’innovazione attraverso la ricerca, al fine di ridurre ed eliminare il più possibile l’attuale esposizione ai PFAS".

Riferimento alla letteratura

Veciana A, Steiner S, Tang Q, Pustovalov V, Llacer-Wintle J, Wu J, Chen X, Manyiwa T, Ultra Jr. V, Garcia-Cirera B, Puigmartí-Luis J, Franco C, Janssen D, Nyström L, Boulos S, Pané S: Breaking the Perï¬uorooctane Sulfonate Chain: Piezocatalytic Decomposition of PFOS Using BaTiO3 Nanoparticles. Small Science 2400337. doi: 10.1002/smsc.202400337
Deborah Kyburz