I PFAS, un gruppo di prodotti chimici fabbricati comunemente usati dagli anni '40, sono chiamati "prodotti chimici per sempre" per un motivo. I batteri non possono mangiarli; il fuoco non può incenerirli; e l'acqua non può diluirli. E, se queste sostanze chimiche tossiche vengono seppellite, penetrano nel suolo circostante, diventando un problema persistente per le generazioni a venire.

Ora, i chimici della Northwestern University hanno fatto l'apparentemente impossibile. Utilizzando basse temperature e reagenti comuni poco costosi, il team di ricerca ha sviluppato un processo che provoca la rottura di due classi principali di composti PFAS, lasciando dietro di sé solo prodotti finali benigni.

La semplice tecnica potrebbe potenzialmente essere una soluzione efficace per lo smaltimento definitivo di queste sostanze chimiche nocive, che sono collegate a molti effetti pericolosi per la salute dell'uomo, del bestiame e dell'ambiente.

"Il PFAS è diventato un grave problema per la società", ha affermato William Dichtel della Northwestern, che ha guidato lo studio. "Anche solo una piccola, minuscola quantità di PFAS provoca effetti negativi sulla salute e non si rompe. Non possiamo semplicemente aspettare che questo problema si risolva. Volevamo usare la chimica per affrontare questo problema e creare una soluzione che il mondo possa usare . È entusiasmante per via di quanto sia semplice, ma non riconosciuta, la nostra soluzione."

Dichtel è il Professore di Chimica Robert L. Letsinger presso il Weinberg College of Arts and Sciences della Northwestern. Brittany Trang, che ha condotto il progetto come parte della sua tesi di dottorato recentemente completata nel laboratorio di Dichtel, è la co-prima autrice dell'articolo.

"La stessa categoria del lead"

Abbreviazione di sostanze per- e polifluoroalchiliche, PFAS è in uso da 70 anni come agenti antiaderenti e impermeabilizzanti. Si trovano comunemente in pentole antiaderenti, cosmetici impermeabili, schiume antincendio, tessuti idrorepellenti e prodotti che resistono a grasso e olio.

Nel corso degli anni, tuttavia, il PFAS è uscito dai beni di consumo, è entrato nella nostra acqua potabile e persino nel sangue del 97% della popolazione degli Stati Uniti. Sebbene gli effetti sulla salute non siano ancora completamente compresi, l'esposizione al PFAS è fortemente associata a una diminuzione della fertilità, effetti sullo sviluppo nei bambini, aumento dei rischi di vari tipi di cancro, ridotta immunità per combattere le infezioni e aumento dei livelli di colesterolo. Tenendo presente questi effetti negativi sulla salute, l'Agenzia per la protezione ambientale degli Stati Uniti (EPA) ha recentemente dichiarato non sicuri diversi PFAS, anche a livelli di tracce.

"Recentemente, l'EPA ha rivisto le sue raccomandazioni per il PFOA sostanzialmente a zero", ha affermato Dichtel. "Ciò mette diversi PFAS nella stessa categoria del lead."

Titoli indistruttibili

Sebbene gli sforzi della comunità per filtrare i PFAS dall'acqua abbiano avuto successo, ci sono poche soluzioni su come smaltire i PFAS una volta rimossi. Le poche opzioni che stanno emergendo generalmente riguardavano la distruzione di PFAS a temperature e pressioni elevate o altri metodi che richiedono grandi apporti energetici.

"Nello stato di New York, è stato scoperto che un impianto che afferma di incenerire PFAS rilascia alcuni di questi composti nell'aria", ha affermato Dichtel. "I composti sono stati emessi dalle ciminiere e nella comunità locale. Un'altra strategia fallita è stata quella di seppellire i composti nelle discariche. Quando lo fai, fondamentalmente stai solo garantendo che avrai un problema tra 30 anni perché sarà lentamente fuoriuscire. Non hai risolto il problema. Hai solo preso a calci la lattina lungo la strada."

Il segreto dell'indistruttibilità di PFAS risiede nei suoi legami chimici. PFAS contiene molti legami carbonio-fluoro, che sono i legami più forti in chimica organica. Essendo l'elemento più elettronegativo nella tavola periodica, il fluoro vuole elettroni e male. Il carbonio, d'altra parte, è più disposto a rinunciare ai suoi elettroni.

"Quando hai quel tipo di differenza tra due atomi, e hanno all'incirca le stesse dimensioni, quali carbonio e fluoro, questa è la ricetta per un legame davvero forte", ha spiegato Dichtel.

Individuare il tallone d'Achille di PFAS

Ma, mentre studiava i composti, il team di Dichtel ha trovato un punto debole. PFAS contiene una lunga coda di legami carbonio-fluoro inflessibili. Ma a un'estremità della molecola c'è un gruppo carico che spesso contiene atomi di ossigeno carichi. Il team di Dichtel ha preso di mira questo gruppo principale riscaldando il PFAS in dimetilsolfossido, un solvente insolito per la distruzione del PFAS, con idrossido di sodio, un reagente comune. Il processo ha decapitato il gruppo di testa, lasciando dietro di sé una coda 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."

In precedenti tentativi di distruggere PFAS, altri ricercatori hanno utilizzato temperature elevate, fino a 400 gradi Celsius. Dichtel è entusiasta del fatto che la nuova tecnica si basi su condizioni più miti e un reagente semplice ed economico, rendendo la soluzione potenzialmente più pratica per un uso diffuso.

Dopo aver scoperto le condizioni di degradazione del PFAS, Dichtel e Trang hanno anche scoperto che gli inquinanti fluorurati si sgretolano a causa di processi diversi da quelli generalmente ipotizzati. Utilizzando potenti metodi computazionali, i collaboratori Ken Houk dell'UCLA e Yuli Li, uno studente dell'Università di Tianjin che ha visitato virtualmente il gruppo di Houk, hanno simulato il degrado del PFAS. I loro calcoli suggeriscono che il PFAS si sgretola a causa di processi più complessi del previsto. Sebbene in precedenza si presumesse che il PFAS dovesse sfaldarsi di un carbonio alla volta, la simulazione ha mostrato che il PFAS in realtà si sfalda di due o tre atomi di carbonio alla volta, una scoperta che corrispondeva agli esperimenti di Dichtel e Trang. Comprendendo questi percorsi, i ricercatori possono confermare che rimangono solo prodotti benigni. Questa nuova conoscenza potrebbe anche aiutare a guidare ulteriori miglioramenti al metodo.

"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, un illustre professore di ricerca in chimica organica. "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. Yuli ha imparato questi metodi computazionali e ha lavorato con la Bretagna a lunga distanza per risolvere questo problema fondamentale ma praticamente significativo."

Dieci in meno, mancano 11.990

Successivamente, il team di Dichtel testerà l'efficacia della sua nuova strategia su altri tipi di PFAS. Nel presente studio, hanno degradato con successo 10 acidi perfluoroalchil carbossilici (PFCA) e acidi perfluoroalchil carbossilici (PFECA), incluso l'acido perfluoroottanoico (PFOA) e uno dei suoi sostituti comuni, noto come GenX, due dei più importanti composti PFAS. L'EPA statunitense, tuttavia, ha identificato più di 12.000 composti PFAS.

Anche se questo può sembrare scoraggiante, Dichtel rimane fiducioso.

"Il nostro lavoro ha affrontato una delle classi più grandi di PFAS, tra cui molte di cui siamo più preoccupati", ha affermato. "Ci sono altre classi che non hanno lo stesso tallone d'Achille, ma ognuna avrà il suo punto debole. Se riusciamo a identificarlo, allora sappiamo come attivarlo per distruggerlo."

Dichtel is a member of the Institute for Sustainability and Energy at Northwestern's Program on Plastics, Ecosystems and Public Health; the Center for Water Research and the International Institute for Nanotechnology

The study, "Low-temperature mineralization of perfluorocarboxylic acids," is published on August 19 in the journal Science . + Esplora ulteriormente

PFAS chemicals do not last forever