Aziende, istituzioni e centri di ricerca al lavoro per trovare soluzioni alternative alle sostanze perfluoroalchiliche e polifluoroalchiliche. Il cammino è ancora lungo ma le basi sono tracciate. Come testimonia anche l’individuazione di alcuni materiali green. E per accelerare i tempi e contenere i costi occorre cambiare processo di analisi, in modo da concentrarsi fin dall’inizio su più aspetti e non solo su quello funzionale del materiale oggetto di studio
di Lia Panzeri
L’attività di ricerca per mettere a fuoco sostanze alternative agli PFAS è in continuo fermento. Al lavoro ci sono aziende come la danese KLS Pure Print, che produce contenitori per prodotti alimentari PFAS free dal 2020, o Epta Group, impresa italiana che si occupa di macchine per refrigerazione e che sta sperimentando pompe di calore e impianti di refrigerazione senza PFAS, ma utilizzando gas naturali. Solo per citarne alcune.
Ma al lavoro ci sono anche istituzioni come la Comunità Europea, che sta investendo molto in questa direzione, e centri di ricerca come l’Istituto Mario Negri di Milano, dove i ricercatori del Laboratorio di Chimica e Tossicologia dell’Ambiente (del Dipartimento di Ambiente e Salute) sono impegnati da diversi anni nell’individuare materiali alternativi alle sostanze perfluoroalchiliche che abbiano un minore impatto sull’ambiente e sulla salute dell’uomo.
Una strada obbligata
La transizione dagli PFAS rappresenta una grande sfida e, se ben gestita, anche un’importante opportunità per l’industria di abbracciare i principi della chimica verde e sostenibile fin dalle fasi di ricerca e sviluppo. Del resto un futuro sostenibile non può essere costruito con sostanze chimiche non sostenibili. E qualche passo in avanti è già stato fatto.
Lo racconta molto bene l’ebook Toward a PFAS-free Future: Safer Alternatives to Forever Chemicals della collana Green Chemistry, un lavoro corale realizzato da Simona A. Bălan, Thomas A. Bruton e Kimberly G. Hazard, tre scienziati e ricercatori americani, che illustra le alternative attualmente possibili (ma la ricerca è “ongoing”) alle sostanze perfluoroalchiliche e polifluoroalchiliche in vari comparti industriali.
Le alternative negli imballaggi per alimenti
Per quanto riguarda, per esempio, il comparto degli imballaggi per fast food in fibra stampata, sono state individuate due alternative promettenti: i nanocristalli di cellulosa (CNC) e la lignina, che si possono reperire all’interno dell’industria cartaria. Queste sostanze possono essere incorporate nel processo di produzione delle fibre stampate e sono facilmente compostabili.
Ma ci sono ancora aspetti da valutare con attenzione come: la sensibilità all’umidità dei nanocristalli di cellulosa e il loro comportamento non termoplastico; l’efficienza dell’incorporazione all’interno della matrice di fibre stampate; la creazione di un linguaggio comune e di trasparenza per quanto riguarda le informazioni tecniche; l’investimento nella chimica verde per i coadiuvanti tecnologici.
Su quest’ultimo punto, coerentemente ai principi della Green Chemistry, la Commissione Europea ha recentemente pubblicato il documento Chemicals strategy – The EU’s chemicals strategy for sustainability towards a toxic-free environment, come parte integrante dell’impegno comunitario nella nuova agenda per la transizione ecologica e la crescita sostenibile. Due gli obiettivi del percorso tracciato dalla Commissione: il raggiungimento di una migliore protezione dei cittadini e dell’ambiente e l’incremento di innovazione per la produzione sostenibile di prodotti chimici più sicuri per l’ambiente e la salute.
E, in particolare, si mira ad aumentare gli investimenti per la progettazione e la produzione di prodotti chimici più sicuri e sostenibili lungo tutto il loro ciclo di vita, in favore della transizione comunitaria verso i principi dell’economia circolare: uno dei target principali del Green Deal europeo. In questo senso, la riduzione degli scarti e dei sottoprodotti, ma anche la loro conversione in materiali ad alto valore aggiunto, oltre che un minor sfruttamento delle materie prime, sono visti come unica via per un futuro sostenibile.
Film in biopolimero per gli imballaggi dei prodotti per la casa
Per quanto riguarda, invece, il settore degli imballaggi in carta di prodotti per la casa, la ricerca si è concentrata sull’identificazione e la valutazione di tre metodi per ottenere una barriera all’umidità priva di PFAS. Tre le categorie di prodotti presi in esame, tra cui detersivi in polvere, detergenti e saponi, con diverse esigenze di barriera all’umidità. Le strategie proposte dai ricercatori in questo caso vanno dai film di biopolimeri derivati da fonti naturali, come il chitosano, la pectina e la gelatina agli additivi chimici per migliorare la barriera e le proprietà meccaniche attraverso la reticolazione, tra cui la genipina e l’acido ferulico. Fino agli additivi fisici per rafforzare la barriera del film e le proprietà meccaniche, tra cui nanofiller come le argille a base di montmorillonite e le nanofibre di cellulosa.
La foglia di loto ispira l’idrorepellenza PFAS free
Nell’e-book si trovano anche idee per soluzioni più ecologiche, atte a ottenere un’idrorepellenza duratura senza ricorrere all’uso di PFAS. Una sfida lanciata da W. L. Gore and Associates al team del progetto Greener Solutions Course dell’Università della California (UC) di Berkeley. Idealmente, un rivestimento con tecnologia DWR (Durable Water Repellent) non PFAS dovrebbe: essere altamente idrofobico per ottenere un’idrorepellenza dinamica; presentare proprietà oleorepellenti (oleofobiche) per l’autopulizia e l’isolamento; essere durevole, lavabile ed esteticamente gradevole per i consumatori.
L’ispirazione per le soluzioni non fluorurate e bioispirate è stata tratta dal meccanismo idrofobico naturale della struttura micro e nano-gerarchica della foglia di loto e di altri organismi. Il team del progetto ha effettuato una revisione della letteratura specifica per la strutturazione gerarchica utilizzando fibre e solventi a basso rischio, ottenendo numerose potenziali alternative. Le due più promettenti, però, sono state le nanosoluzioni di silice e il blow spinning, che hanno mostrato la migliore idrofobicità, un buon potenziale di oleofobicità e l’applicabilità ai tessuti. Ma anche in questo caso la ricerca è ancora in corso.
Questione di metodo
Quella della ricerca resta una sfida importante, lunga e complessa anche perché necessita di valutare contemporaneamente più proprietà di una stessa sostanza. In particolare per quelle destinate a scopi industriali, per le quali è necessario studiare non solo le caratteristiche avverse, ma anche quelle funzionali dei nuovi materiali. Proprio per questo la strategia migliore sarebbe quella di procedere non più in modo retrospettivo, accorgendosi del danno quando è ormai troppo tardi, ma pianificando il futuro, considerando tutte le proprietà di una sostanza prima che faccia il suo ingresso sul mercato.
“Proprio per questo, il nostro obiettivo non è tanto individuare le sostanze alternative agli PFAS, che possono essere molteplici e diverse una dall’altra in base al settore d’applicazione, quanto focalizzarci sul processo d’individuazione di queste sostanze e su come renderlo più efficace”, spiega Emilio Benfenati, responsabile Dipartimento di Ambiente e Salute dell’Istituto Mario Negri di Milano.
“Normalmente, dopo che un’azienda ha deciso di sostituire le sostanze perfluoroalchiliche con altre, deve poi valutarle per evitare che presentino problemi analoghi a quelli degli PFAS e per assicurarsi che le loro caratteristiche funzionali siano adatte al campo di applicazione d’interesse. Per quanto riguarda la sicurezza e l’impatto sulla salute umana e sull’ambiente, è necessario che siano conformi a quanto previsto da regolamenti europei come il REACH (che si occupa della registrazione, valutazione e autorizzazione delle sostanze chimiche). L’analisi delle caratteristiche del nuovo materiale per un determinato campo d’applicazione, invece, grava interamente sulle spalle dell’azienda”.
E comporta un percorso lungo e costoso, che impegna molto le imprese. Per questo l’Istituto propone un approccio diverso alla ricerca di materiali alternativi agli PFAS.
Una piattaforma di modelli per scegliere le sostanze alternative agli PFAS
“Occorre passare da un processo sequenziale di ricerca che richiede anni, ingenti investimenti e risorse con esiti incerti, a un processo d’analisi che fin dall’inizio sia in grado di concentrarsi su più aspetti e non solo su quello funzionale della materia oggetto di ricerca”, prosegue Benfenati. “Questo significa avere, fin dalle prime fasi di studio, informazioni sulle caratteristiche funzionali e ambientali del nuovo materiale come la persistenza, la stabilità, la tossicità e così via. Il processo diventa più complicato, è vero, ma oggi esistono software in grado di farlo in poco tempo”.
L’industria farmaceutica procede già da anni in questo modo e anche tutta l’Industria 5.0 si sta muovendo in questa direzione. Non a caso all’Istituto Mario Negri è stata sviluppata una piattaforma di modelli chiamata VegaHub, disponibile gratuitamente per chi volesse utilizzarla, che dà alle aziende e ai laboratori di ricerca la possibilità di scegliere per ordine d’importanza le sostanze alternative agli PFAS a catena lunga in base all’impatto negativo sull’ambiente e sulla salute.
All’interno dell’Hub si possono trovare anche altri programmi, come Vega che valuta le proprietà ambientali, tossicologiche ed ecotossicologiche di nuovi materiali e i programmi Vermeer, che valutano il rischio e la sostituzione di PFAS nei settori della cosmesi, del food packaging e della chimica (solventi ecc.), mentre il software ToxEraser propone sostanze alternative. Quello che è richiesto è la struttura della sostanza d’interesse. Per arrivare a un mondo senza PFAS, dunque, la strada è ancora lunga, ma la traccia è segnata grazie anche alle spinte politiche, alla pressione legislativa e normativa e a quella della catena di fornitura. Nel nome di un futuro più sostenibile.
