Nuovo studio del Politecnico di Zurigo: la piezocatalisi è in grado di scomporre oltre il 90% di una molecola PFOS (ma servono anche politiche diverse)

I ricercatori del Politecnico di Zurigo hanno sviluppato un nuovo metodo per la degradazione dei PFOS, pericolosi composti chimici che rientrano nel gruppo dei PFAS. Queste sostanze sono anche note come forever chemicals, poiché sono estremamente stabili e difficili da eliminare: sappiamo da decenni che il fluoruro di perfluoroottansulfonile (PFOS) è presente nel sangue degli esseri umani, e più recentemente è stato scoperto che si accumula anche nell’ambiente e negli animali selvatici, provocando gravi conseguenze.

Il nuovo metodo per la degradazione dei PFOS coinvolge dei nanomateriali piezoelettrici che, immersi in un bagno a ultrasuoni, si caricano elettricamente e agiscono come catalizzatori: secondo i primi esperimenti, questa reazione è in grado di degradare il 90,5% della molecola di PFOS.

PFOS, 75 anni di contaminazione globale

La produzione di fluoruro di perfluoroottansulfonile (PFOS) inizia nel 1949, quando il colosso industriale 3M scopre che la fluorurazione elettrochimica può dare vita a un composto estremamente stabile, in grado di conferire eccellenti proprietà antimacchia e idrorepellenti ai prodotti d’uso comune.

Meno di vent’anni dopo, nel 1968, viene riportata per la prima volta la presenza di composti organici fluorurati nel sangue degli esseri umani, ma ci vuole diverso tempo per scoprire che si tratta di acido perfluoroottanoico (PFOA) e di composti correlati come il PFOS.

Il 16 maggio del 2000, in maniera piuttosto inaspettata, 3M annuncia con un breve comunicato stampa che avrebbe interrotto la produzione di PFOS entro la fine del 2002 a causa di preoccupazioni legate a una scoperta che l’azienda definì “nuova”. Nel 1997, infatti, la multinazionale statunitense aveva individuato tracce di PFOS in campioni che provenivano da tutto il mondo che ci si aspettava fossero incontaminati. La notizia dei PFOS nel sangue, però, era già nota dagli anni Settanta.

Uno studio del 2006 ha infine confermato i timori sollevati dalle indagini precedenti: tracce di questi composti chimici sono stati individuati non soltanto nel sangue degli umani, ma anche nel fegato degli orsi polari, nei muscoli delle foche e nel sangue dei tursiopi.

Secondo un’indagine del 2008, la concentrazione di PFOS nel sangue dei cittadini americani sta diminuendo, grazie alla graduale eliminazione di questi composti nella produzione di oggetti di uso quotidiano. Dal 2000 al 2006, si legge nella ricerca, il livello di PFOS nel sangue dei è sceso del 60%, dimostrando che i prodotti di uso comune come padelle e tessuti idrorepellenti erano effettivamente la fonte primaria della contaminazione.

Particelle piezoelettriche contro i PFOS

Quello appena accennato è il contesto in cui si inserisce la recente scoperta dei ricercatori del Politecnico di Zurigo. Il team guidato da Salvador Pané i Vidal, professore dell’Istituto di Robotica e Sistemi Intelligenti, ha sviluppato un nuovo metodo che consente di degradare i composti PFOS.

Come spiegano gli scienziati, i pericoli sono ben noti: queste sostanze chimiche che non si degradano (rientrano tra i cosiddetti forever chemicals) possono danneggiare il fegato, innescare disturbi ormonali e causare il cancro, tra le altre cose.

Afferma Andrea Veciana, dottoranda del team di Pané i Vidal:

“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”.

Per riuscire a scomporre le molecole di PFOS, i ricercatori hanno testato per la prima volta la piezocatalisi, laddove “piezo” si riferisce alla piezoelettricità, una tensione elettrica che si genera durante una deformazione meccanica, mentre “catalisi” indica l’accelerazione di una reazione chimica grazie al giusto catalizzatore. Per farlo hanno sviluppato dei nanomateriali piezoelettrici che a occhio nudo, spiega Veciana, sembrano sabbia.

Immerse in un bagno a ultrasuoni, queste particelle si caricano elettricamente e agiscono come catalizzatori. Come spiega Pané i Vidal:

“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”.

I risultati dell’esperimento sono decisamente incoraggianti: la nanoparticella piezoelettrica, agendo come catalizzatore, innesca una reazione chimica che permette di degradare il 90,5% della molecola di PFOS (e di defluorurare il 29%), come dimostrano le misurazioni effettuate tramite spettrometro di massa.

Un metodo più efficiente di quelli attualmente in uso

Come spiegano i ricercatori, però, in laboratorio sono state testate concentrazioni molto alte di PFOS, pari a quattro milligrammi per litro, mentre in natura la concentrazione di questi forever chemicals è inferiore al microgrammo per litro. “Più bassa è la concentrazione, più tempo ci vuole perché i PFOS si decompongano”, spiega Veciana.

Alcune tecnologie attualmente in fase di sviluppo concentrano prima l’acqua e solo successivamente distruggono i PFOS: questo approccio potrebbe essere un passo importante per la piezocatalisi, che potrebbe essere implementata in applicazioni specifiche come il trattamento delle acque reflue dell’industria chimica.

Il potenziale del nuovo metodo diventa più chiaro se si prendono in considerazione le opzioni attualmente esistenti per la degradazione dei PFAS. Un metodo è la decomposizione termica, spiega la dottoranda, ma richiede una temperatura di oltre 1000°C, il che la rende un processo ad alta intensità di energia.

Poi c’è la fotocatalisi, un processo simile alla piezocatalisi che utilizza la luce al posto dell’energia meccanica per attivare il catalizzatore. Il problema di questo metodo è proprio nella sua applicazione pratica: il suo uso infatti è destinato al trattamento delle acque reflue, che sono torbide e lasciano penetrare poca luce.

La piezocatalisi ha il vantaggio di funzionare con diverse fonti di energia meccanica. Come afferma Veciana:

“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”.

La soluzione: politiche più severe e una maggiore trasparenza

Purtroppo, i risultati ottenuti dai ricercatori in laboratorio con campioni d’acqua di 50 millilitri non possono ancora essere trasferiti alla pratica. Come spiega Pané i Vidal:

“La scalabilità del nostro metodo è una delle sfide più grandi. Tuttavia, siamo riusciti a dimostrare che la piezocatalisi funziona come metodo per degradare i PFOS e presenta dei vantaggi rispetto ai metodi precedenti”.

Inoltre, spiega il professore, il metodo può essere applicato non solo ai PFOS, ma a tutti i PFAS e ad altri microinquinanti. In generale, questi metodi per la degradazione dei PFAS devono intervenire prima che le sostanze chimiche si riversino nell’ambiente, per esempio negli impianti di trattamento delle acque.

Il fatto che si inizi a parlare di un divieto dei PFAS e di regolamenti più severi a livello europeo è cruciale per convincere l’industria ad essere più trasparente sull’uso dei PFAS:

“I PFAS sono un problema globale che dovrebbe essere affrontato innanzitutto attraverso il cambiamento delle politiche e una maggiore trasparenza. Tuttavia, è anche importante promuovere l’innovazione attraverso la ricerca, al fine di ridurre ed eliminare il più possibile l’attuale esposizione ai PFAS”,

conclude la ricercatrice. In effetti il Rapporto Draghi sulla competitività dell’UE, che sembra mettere d’accordo tutti i decisori possibili, sostiene apertamente che un possibile divieto di PFAS avrebbe un impatto devastante sulla produzione di tecnologie pulite, perché “attualmente non esistono alternative per queste sostanze”.

Possiamo quindi non aspettarci divieti o regolamenti più severi in materia, almeno nei prossimi anni. E in un simile contesto, è chiaro, ricerche come questa diventano ancora più cruciali, anche se rischiano di restare intrappolate in una teoria che la politica non ha alcuna intenzione di trasformare in pratica.

Ecco tre approfondimenti che potrebbero interessarti:

Tessuti idrorepellenti ed ecologici: finalmente senza PFAS
Le sostanze chimiche degli pneumatici finiscono nel nostro cibo
Emissioni di HFC-23: sono davvero inevitabili?