Materiales avanzados para eliminar los «químicos eternos» del agua

El acceso a agua limpia es uno de los grandes retos medioambientales del siglo XXI. El acceso a agua potable y el saneamiento forman parte del Objetivo de Desarrollo Sostenible nº 6 de la Agenda 2030 de Naciones Unidas.¹ Sin embargo, la presencia de nuevos contaminantes emergentes amenaza seriamente la calidad de los recursos hídricos. Entre ellos destacan las sustancias per- y polifluoroalquílicas (PFAS),² una amplia familia de compuestos sintéticos utilizados desde hace décadas en productos de uso cotidiano como textiles impermeables, espumas contra incendios o recubrimientos antiadherentes. Su extraordinaria estabilidad química, debida a los fuertes enlaces carbono–flúor, hace que sean muy persistentes en el medio ambiente, motivo por el cual se conocen como “químicos eternos”. Esta misma estabilidad dificulta enormemente su eliminación del agua mediante los tratamientos convencionales³ y, además, muchos PFAS son bioacumulativos y se asocian a efectos adversos para la salud humana.

Ante este desafío, nuestro trabajo explora una nueva estrategia basada en materiales porosos avanzados, conocidos como redes metal-orgánicas (MOFs),⁵ para la captura selectiva de PFAS en agua. Los MOFs son materiales híbridos formados por nodos metálicos y ligandos orgánicos que se organizan en estructuras altamente porosas. Una de sus grandes ventajas es que su composición y estructura pueden ajustarse “a la carta” para una aplicación concreta. En particular, nos centramos en un MOF basado en circonio, denominado MOF-808,⁶ conocido por su elevada estabilidad en agua y su gran versatilidad química. Este material presenta posiciones de coordinación accesibles que pueden modificarse tras su síntesis mediante un proceso conocido como funcionalización post-sintética. Esta característica permite introducir nuevas funciones químicas sin alterar la estructura del material.

En este estudio proponemos una funcionalización estratégica del MOF-808 mediante la incorporación de ligandos fluorados, con el objetivo de aumentar su afinidad por uno de los PFAS más representativos y preocupantes: el ácido perfluorooctanoico (PFOA).⁷ Al “revestir” los poros del material con átomos de flúor, se favorecen interacciones específicas con el contaminante, como interacciones hidrofóbicas entre átomos de flúor, que mejoran su captura desde medios acuosos. Nuestros resultados ponen de manifiesto el gran potencial de los MOFs funcionalizados como tecnologías emergentes para la decontaminación de aguas, y demuestran que la funcionalización post-sintética es una herramienta clave para diseñar materiales con propiedades ajustadas a problemas medioambientales concretos.

De cara al futuro, el grupo LOCAL-MATER trabaja en el desarrollo de MOFs funcionalizados no solo para la eliminación de contaminantes del agua, sino también para la captura de CO₂ y su transformación en productos de alto valor añadido. En este contexto, la participación en el proyecto FotoArt5.0-CM (TEC-2024/TEC-308) del Programa de Actividades de I+D en Tecnologías de la Comunidad de Madrid impulsa el avance en el diseño de nuevos materiales avanzados con aplicaciones en remediación ambiental y energía.

Referencias bibliográficas:

1- La Agenda para el Desarrollo Sostenible – Desarrollo Sostenible. Desarrollo Sostenible. https://www.un.org/sustainabledevelopment/es/development-agenda/.

2- Lindstrom, A. B.; et al. Polyfluorinated Compounds: Past, Present, and Future. Environ. Sci. Technol. 2011, 45 (19), 7954–7961.

3-1) Li, R.; Alomari, S.; et al Efficient Removal of Per- And Polyfluoroalkyl Substances from Water with Zirconium-Based Metal-Organic Frameworks. Chem. Mater. 2021, 33 (9), 3276–3285. 2) Singh, R. K.; et al. Rapid Removal of Poly-and Perfluorinated Compounds from Investigation-Derived Waste (IDW) in a Pilot-Scale Plasma Reactor. Environ. Sci. Technol. 2019, 53 (19), 11375-11382. 3) Sini, K.; et al. Metal-Organic Framework Sorbents for the Removal of Perfluorinated Compounds in an Aqueous Environment. New J. Chem. 2018, 42 (22), 17889–17894.

4-1) Commission Delegated Regulation (EU) 2020/784, OJ L 188I, 15.6.2020, 1–3. 10162/c9666f21-532b-49a0-ace3-c843b7b8e5b0. 2) Directive (EU) 2020/2184, OJL 435, 23.12.2020,1–62. http://data.europa.eu/eli/dir/2020/2184/oj

5- 1) Bosch, M.; et al. Group 4 Metals as Secundary Building Units: Ti, Zr, and Hf-based MOFs. In The Chemistry of Metal-Organic Frameworks: Synthesis, Characterization, and Applications, 1^st ed.; Kaskel, S., Ed.; Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, 2016; pp 137–170. 2) Howarth, A. J.; et al. Best Practices for the Synthesis, Activation, and Characterization of Metal−organic Frameworks. Chem. Mater. 2017, 29 (1), 26–39.

6-) Furukawa, H.; et al. Water Adsorption in Porous Metal-Organic Frameworks and Related Materials. J. Am. Chem. Soc. 2014, 136 (11), 4369–4381.

7) Loukopoulos, E.; et al. Chemically Tailored Metal-Organic Frameworks for Enhanced Capture of Short- and Long-Chain Per- and Polyfluoroalkyl Substances from Water. Adv. Funct. Mater., 2024, 34 (51), 2409932.

Contacto

Ana E. Platero-Prats, Directora Grupo LOCAL-MATER del Programa FotoArt-CM, ana.platero@icp.csic.es