Crean un nuevo material que elimina en minutos contaminantes eternos tipo PFAS

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El Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC), dependiente de Ministerio de Ciencia, Innovación y Universidades (MICIU), ha desarrollado una nueva fórmula para crear un material que elimina, en cuestión de minutos, el ácido perfluorooctanoico del agua, una de las sustancias más tóxicas del planeta. El trabajo ha sido publicado en la Journal of the American Chemical Society.

La persistente contaminación de las fuentes de agua por ácido perfluorooctanoico (PFOA) representa “un importante desafío ambiental y para la salud pública”, explica Ana E. Platero-Prats, investigadora del CSIC en el Instituto de Catálisis y Petroleoquímica (ICP-CSIC) y una de las autoras principales del trabajo. La científica explica que estos PFOA son un tipo de sustancias perfluoroalquiladas y polifluoroalquiladas (PFAS), “una clase de compuestos caracterizados por su alta estabilidad química, potencial de bioacumulación y toxicidad”.

Este compuesto químico presenta “una persistencia extrema, ya que es altamente estable, lo que impide su degradación completa mediante los tratamientos convencionales de aguas residuales”, añade Edward Loukopoulos, también investigador en el ICP-CSIC y otro de los autores del estudio. Ante esta realidad, este grupo de trabajo ha optado por diseñar una red metal-orgánica nueva (MOF): se trata de un tipo de material cristalino y poroso creado a partir de átomos metálicos y moléculas orgánicas que presenta una increíble amplitud de aplicaciones diferentes. Una de ellas es la limpieza de aguas.

Los y las investigadoras han desarrollado el llamado Fe-MOF-808, un nuevo material poroso “obtenido mediante la incorporación de especies de hierro de dos núcleos en los nodos de circonio”, describe Andreas Mavrandonakis, investigador en el Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid (ICMM-CSIC) y otro de los autores principales del trabajo, en el que se ha combinado el trabajo experimental con modelos computacionales. 

“Los resultados confirman la integración exitosa del hierro sin comprometer la integridad estructural ni la accesibilidad de la red porosa”, celebra Platero-Prats, que añade: “Además, la presencia de múltiples sitios de unión espacialmente accesibles permite que nuestro MOF capture PFAS mediante una combinación de interacciones electrostáticas, hidrofóbicas y de coordinación”. Esto se ha traducido en una “alta eficiencia de eliminación” del contaminante “en cuestión de minutos”, lo que además “demuestra una excelente reciclabilidad durante múltiples ciclos de adsorción”.

El equipo de investigación explica que, gracias a la combinación de caracterización basada en sincrotrón y el modelado teórico multiescala, han logrado “una comprensión integral de la captura del contaminante en nuestro MOF”, consiguiendo además explicar cómo ha logrado mejorar su rendimiento, indica Mavrandonakis, que detalla que el proceso de adsorción se produce mediante un mecanismo dual: “coordinación con sitios metálicos abiertos, principalmente en los nodos de circonio, y confinamiento dentro de la estructura porosa”.

Inteligencia artificial al servicio de la descontaminación

Con todo, el trabajo no está terminado. Loukopoulos señala que los próximos pasos pasarán por ciertos aspectos clave relativos a la implementación práctica del material. “Necesitamos investigar la escalabilidad a escala de gramos o superior”, reconoce el científico, que adelanta que van a realizar estudios de coste-rendimiento frente a otros adsorbentes de PFAS ya establecidos.
Además de esto, el equipo de trabajo quiere desarrollar una base de datos especializada de MOF con potencial para la captura de compuestos PFAs. Esta plataforma, que se lanzará próximamente y será de acceso abierto, “recopilará información estructural, química y de rendimiento para apoyar el diseño racional de adsorbentes de próxima generación”, adelanta Mavrandonakis.

Su plan de acción no acaba aquí: actualmente están explorando el uso de herramientas de inteligencia artificial y modelado computacional para identificar de forma más efectiva cómo se relacionan las estructuras de los MOF con sus propiedades. Buscamos acelerar el descubrimiento de nuevos materiales con mayor selectividad, capacidad de adsorción y rendimiento práctico para la eliminación de contaminantes persistentes del agua”, explican los investigadores.

Pese a todos los pasos pendientes, los investigadores se muestran satisfechos con el trabajo: “Este estudio introduce la incorporación de metales secundarios como una estrategia de diseño general muy prometedora para mejorar la adsorción de contaminantes mediante mecanismos de interacción múltiple en materiales MOF”, celebran, y añaden: “Estos principios proporcionan una base para el desarrollo de adsorbentes personalizados de próxima generación con selectividad y capacidad mejoradas para especies de PFAS de diferente longitud de cadena y funcionalidad química”, concluyen.

Los peligros del ácido perfluorooctanoico 

Los investigadores recuerdan que la creciente crisis ambiental ha impulsado un cambio global hacia prácticas más sostenibles. Entre ellas, “garantizar el acceso al agua potable es fundamental, ya que impacta directamente en la agricultura, la economía y la energía”, recuerdan.

Sin embargo, el aumento de las actividades industriales en las últimas décadas ha generado una mayor contaminación del agua por contaminantes artificiales, lo que plantea importantes riesgos ambientales y para la salud. “Un grupo de especial interés son las sustancias perfluoroalquiladas y polifluoroalquiladas (PFAS), entre las que destaca el ácido perfluorooctanoico (PFOA), un compuesto clave de preocupación mundial”, continúan los investigadores, que describen que su larga vida media biológica en humanos (de 2 a 14,5 años) ha dado lugar a una importante bioacumulación y toxicidad. “La exposición al PFOA se ha relacionado con efectos adversos para la salud, como cáncer, daños en el sistema inmunitario y hepático, y problemas en el desarrollo fetal”, alertan.

Referencia: 

Sergio Marugán-Benito, Michalis Vlachos, Lutz Ahrens, Miguel Roselló-González, Carlo Marini, Jordi Prat Albert, Andreas Mavrandonakis*, Edward Loukopoulos*, & Ana E. Platero-Prats*. Atomically Precise Engineering of Synergistic Binding Sites in a Zirconium Metal–Organic Framework for the Capture of Perfluorooctanoic Acid. JACS. DOI: https://doi.org/10.1021/jacs.5c23392