El carbón activado: una estrategia eficaz para la remediación de sustancias Perfluoroalquiladas y Polifluoroalquiladas (PFAS) en matrices acuosas
Introducción
Las sustancias perfluoroalquiladas y polifluoroalquiladas, designadas comúnmente por el acrónimo , constituyen una amplia familia de compuestos químicos sintéticos que han generado considerable preocupación ambiental y sanitaria a nivel global. Su inherente persistencia en el medio ambiente, debida a la notable estabilidad del enlace carbono-flúor (C-F), les ha conferido la denominación de “químicos persistentes” o “eternos”. La presencia de en fuentes de agua potable representa un desafío significativo para la salud pública y la calidad del agua. Entre las diversas tecnologías de tratamiento, el carbón activado (CA) ha emergido como una solución robusta y ampliamente implementada para la eliminación de estos contaminantes. Este material, ya reconocido por su eficacia en la adsorción de una variedad de contaminantes orgánicos, olores y sabores del agua, demuestra un potencial considerable en la mitigación de la contaminación por .
Naturaleza y problemática de las sustancias
Los son compuestos organofluorados caracterizados por una cadena alquílica total o parcialmente fluorada. Esta estructura química única les confiere propiedades fisicoquímicas deseables, como la repelencia al agua y al aceite, y una elevada estabilidad térmica y química. Estas propiedades han propiciado su uso extensivo desde mediados del siglo XX en una multitud de aplicaciones industriales y de consumo, incluyendo recubrimientos antiadherentes (e.g., politetrafluoroetileno en utensilios de cocina), textiles resistentes a manchas y agua, y espumas acuosas para la extinción de incendios (AFFF, por sus siglas en inglés).
La principal problemática asociada a los radica en su recalcitrancia a la degradación biótica y abiótica. Esta persistencia facilita su transporte a largas distancias en el medio ambiente, contaminando suelos, aguas superficiales y subterráneas. Adicionalmente, muchos presentan tendencias a la bioacumulación y biomagnificación en las cadenas tróficas. Estudios epidemiológicos y toxicológicos han vinculado la exposición crónica a ciertos con una serie de efectos adversos para la salud humana, entre los que se incluyen disrupciones endocrinas, alteraciones del sistema inmunológico, problemas de desarrollo y un incremento en el riesgo de padecer ciertos tipos de cáncer.
El carbón activado y el mecanismo de adsorción de
El carbón activado es un material carbonáceo con una estructura altamente porosa y una extensa área superficial específica, típicamente en el rango de 500 a 1500 , e incluso superior. Se produce a partir de precursores ricos en carbono, como la cáscara de coco, madera, lignito o carbones bituminosos, mediante procesos de activación física (con vapor de agua o a altas temperaturas) o química.
El mecanismo primario por el cual el carbón activado remueve los del agua es la adsorción. Este es un proceso de superficie en el que las moléculas de (adsorbato) se adhieren a la superficie de los poros del carbón activado (adsorbente). Las interacciones hidrofóbicas entre la porción perfluoroalquilada de la molécula de y la superficie predominantemente no polar del carbón activado son un motor principal de este proceso. Adicionalmente, pueden intervenir fuerzas de van der Waals y, en menor medida, interacciones electrostáticas, dependiendo de la química específica del (longitud de cadena, grupo funcional polar) y las propiedades superficiales del carbón (puntos de carga cero, grupos funcionales oxigenados).
Para la eliminación de , el Carbón Activado Granular (CAG o GAC, por sus siglas en inglés) es la forma más comúnmente empleada y estudiada, demostrando una alta eficiencia, especialmente para de cadena larga (e.g., PFOA, PFOS).
Ventajas de la tecnología de carbón activado para la remoción de
- Eficacia demostrada: Numerosos estudios de investigación y aplicaciones a escala real han validado la capacidad del CAG para reducir eficazmente las concentraciones de diversos en el agua potable a niveles por debajo de los límites regulatorios o de referencia sanitaria.
- Costo-efectividad: En comparación con tecnologías de tratamiento avanzado como la ósmosis inversa o el intercambio iónico, la adsorción con CAG generalmente representa una opción más económica, particularmente para el tratamiento de grandes volúmenes de agua y como barrera en plantas de tratamiento municipales.
- Potencial de sostenibilidad mediante regeneración: El CAG agotado puede ser regenerado térmicamente. Este proceso de alta temperatura (típicamente >600-900°C) no solo restaura la capacidad adsortiva del carbón, sino que también puede resultar en la destrucción de más del 99.99% de los adsorbidos, convirtiéndolos en productos menos nocivos como y . Esto reduce la necesidad de disposición final del carbón agotado y permite su reutilización.
Consideraciones clave para la implementación y optimización
La efectividad de la adsorción de por carbón activado está influenciada por múltiples factores que deben ser considerados para un diseño y operación óptimos del sistema:
- Características del : La longitud de la cadena carbonada y el tipo de grupo funcional polar del impactan significativamente su adsorbilidad. Generalmente, los de cadena larga y aquellos con grupos funcionales sulfonato tienden a adsorberse más fuertemente que los de cadena corta o con grupos carboxilato.
- Matriz del Agua: La química del agua, incluyendo el pH, la temperatura, la presencia y concentración de materia orgánica natural (MON) y otros contaminantes, puede afectar la competencia por los sitios de adsorción y, por ende, la eficiencia de remoción de . La MON, en particular, puede causar un ensuciamiento prematuro del carbón.
- Selección del Carbón Activado: No todos los carbones activados exhiben el mismo rendimiento. Las propiedades como el material precursor (e.g., bituminoso, lignito, cáscara de coco), la distribución del tamaño de poro, el área superficial y la química superficial son determinantes. La selección debe basarse en pruebas de tratabilidad con el agua específica.
- Monitoreo del Sistema: Es imperativo realizar un monitoreo regular de la calidad del agua efluente para detectar el “punto de ruptura” (breakthrough), momento en el cual el carbón se satura y los comienzan a aparecer en el agua tratada a concentraciones inaceptables.
- Reemplazo o Regeneración: Una vez que el carbón activado alcanza su capacidad de adsorción útil, debe ser reemplazado por carbón nuevo o, preferiblemente, regenerado para restaurar su funcionalidad.
Qué aporta el carbón activado para eliminar las sustancias PFAS
El carbón activado, y en particular el Carbón Activado Granular (CAG), especialmente aquel derivado de fuentes como el carbón bituminoso, se consolida como una tecnología robusta, costo-efectiva y potencialmente sostenible para la remediación de la contaminación por en el agua potable. Su elevada capacidad adsortiva, sumada a la viabilidad de regeneración con destrucción de los contaminantes adsorbidos, lo posiciona como una solución estratégica frente al desafío que representan estos “químicos persistentes”. La implementación exitosa de sistemas de adsorción con carbón activado requiere una cuidadosa selección del material, un diseño de ingeniería adecuado y un monitoreo riguroso del rendimiento para asegurar la protección de la salud pública y la integridad de los recursos hídricos.
