I chimici dell’UCLA e della Northwestern University hanno sviluppato un modo semplice a temperature relativamente basse e senza sottoprodotti nocivi per abbattere quasi una dozzina di tipi delle cosidette “sostanze chimiche eterne” quasi indistruttibili.
In un articolo pubblicato sulla rivista Science, i ricercatori mostrano che nell’acqua riscaldata a soli 176-248 gradi Fahrenheit, solventi e reagenti comuni e poco costosi hanno interrotto i legami molecolari nei PFAS che sono tra i più forti conosciuti e hanno avviato una reazione chimica che “gradualmente ha rosicchiato la molecola” fino a quando non è scomparsa, ha detto Kendall Houk, illustre professore di ricerca dell’UCLA e co-autore corrispondente.
La semplice tecnologia, le temperature relativamente basse e la mancanza di sottoprodotti dannosi significano che non c’è limite alla quantità di acqua che può essere trattata contemporaneamente, ha aggiunto Houk. La tecnologia potrebbe eventualmente rendere più facile per gli impianti di trattamento delle acque rimuovere i PFAS dall’acqua potabile.
Le sostanze per- e polifluoroalchiliche — PFAS in breve — sono una classe di circa 12.000 sostanze chimiche sintetiche che sono state utilizzate dagli anni ’40 in pentole antiaderenti, cosmetici impermeabili, shampoo, elettronica, imballaggi alimentari e innumerevoli altri prodotti. Contengono un legame tra atomi di carbonio e fluoro che nulla in natura può rompere.
Quando queste sostanze chimiche penetrano nell’ambiente attraverso la produzione o l’uso quotidiano dei prodotti, diventano parte del ciclo dell’acqua terrestre. Negli ultimi 70 anni, i PFAS hanno contaminato praticamente ogni goccia d’acqua del pianeta e il loro forte legame carbonio-fluoro consente loro di passare attraverso la maggior parte dei sistemi di trattamento dell’acqua completamente illesi. Possono accumularsi nei tessuti di persone e animali nel tempo e causare danni in modi che gli scienziati stanno appena iniziando a capire. Alcuni tumori e malattie della tiroide, ad esempio, sono associati a PFAS.
Per questi motivi, è diventato particolarmente urgente trovare modi per rimuovere i PFAS dall’acqua. Gli scienziati stanno sperimentando molte tecnologie di bonifica, ma la maggior parte di esse richiede temperature estremamente elevate, prodotti chimici speciali o luce ultravioletta e talvolta produce sottoprodotti che sono anche dannosi e richiedono ulteriori passaggi per la rimozione.
Leader PFAS alla ghigliottina
Il professore di chimica della Northwestern University William Dichtel e la studentessa di dottorato Brittany Trang hanno notato che mentre le molecole PFAS contengono una lunga “coda” di ostinati legami carbonio-fluoro, il loro gruppo “testa” contiene spesso atomi di ossigeno carichi, che reagiscono fortemente con altre molecole. Il team di Dichtel ha costruito una ghigliottina chimica riscaldando il PFAS in acqua con dimetilsolfossido, noto anche come DMSO, e idrossido di sodio, o liscivia, che si staccava dalla testa e lasciava una coda esposta e reattiva.
“Ciò ha innescato tutte queste reazioni e ha iniziato a sputare atomi di fluoro da questi composti per formare fluoro, che è la forma più sicura di fluoro”, ha detto Dichtel. “Sebbene i legami carbonio-fluoro siano super forti, quel gruppo di testa carico è il tallone d’Achille”.
Ma gli esperimenti hanno rivelato un’altra sorpresa: le molecole non sembravano andare in pezzi nel modo in cui la saggezza convenzionale diceva che avrebbero dovuto.
Per risolvere questo mistero, Dichtel e Trang hanno condiviso i loro dati con i collaboratori Houk e la studentessa dell’Università di Tianjin Yuli Li, che durante la pandemia stava lavorando nel gruppo di Houk a distanza dalla Cina. I ricercatori si aspettavano che le molecole di PFAS avrebbero disintegrato un atomo di carbonio alla volta, ma Li e Houk hanno eseguito simulazioni al computer che hanno mostrato che due o tre molecole di carbonio si staccavano dalle molecole contemporaneamente, proprio come Dichtel e Tang avevano osservato sperimentalmente.
Le simulazioni hanno anche mostrato che gli unici sottoprodotti dovrebbero essere il fluoro, spesso aggiunto all’acqua potabile per prevenire la carie, l’anidride carbonica e l’acido formico, che non è dannoso. Dichtel e Trang hanno confermato questi sottoprodotti previsti in ulteriori esperimenti.
“Questo si è rivelato essere un insieme molto complesso di calcoli che ha sfidato i più moderni metodi di meccanica quantistica e i computer più veloci a nostra disposizione“, ha affermato Houk. “La meccanica quantistica è il metodo matematico che simula tutta la chimica, ma solo nell’ultimo decennio siamo stati in grado di affrontare grandi problemi meccanicistici come questo, valutando tutte le possibilità e determinando quale può accadere alla velocità osservata”.
Li, ha detto Houk, ha imparato questi metodi computazionali e ha lavorato a lunga distanza con Trang per risolvere questo problema fondamentale e molto significativo.
Il lavoro in corso ha degradato 10 tipi di acidi perfluoroalchil carbossilici (PFCA) e acidi perfluoroalchil carbossilici (PFECA), compreso l’acido perfluoroottanoico (PFOA). I ricercatori ritengono che il loro metodo funzionerà per la maggior parte dei PFAS che contengono acidi carbossilici e sperano che aiuterà a identificare i punti deboli in altre classi di PFAS. Sperano che questi risultati incoraggianti portino a ulteriori ricerche che mettano alla prova i metodi per sradicare le migliaia di altri tipi di PFAS.
Lo studio, “mineralizzazione a bassa temperatura degli acidi perfluorocarbossilici”, è stato sostenuto dalla National Science Foundation.
