Ingenieros de la Universidad Northwestern han desarrollado una nueva esponja capaz de eliminar metales -incluidos metales pesados tóxicos como el plomo y metales críticos como el cobalto- del agua contaminada, dejando tras de sí agua potable.
En experimentos de prueba de concepto, los investigadores probaron su nueva esponja con una muestra de agua del grifo muy contaminada, que contenía más de una parte por millón de plomo. Con un solo uso, la esponja filtró el plomo por debajo de los niveles detectables.
Después de usar la esponja, los investigadores también lograron recuperar metales y reutilizarla durante varios ciclos.
La nueva esponja promete ser una herramienta barata y fácil de usar en los filtros de agua domésticos o en las labores de recuperación medioambiental a gran escala.
El estudio se publicó el 10 de mayo en la revista ACS ES&T Water. El artículo describe la nueva investigación y establece normas de diseño para optimizar plataformas similares de eliminación -y recuperación- de otras toxinas de metales pesados, como cadmio, arsénico, cobalto y cromo.
«La presencia de metales pesados en el suministro de agua es un enorme problema de salud pública para todo el planeta», afirma Vinayak Dravid, de Northwestern y autor principal del estudio. «Se trata de un problema gigantesco que requiere soluciones fáciles, eficaces y baratas. Ahí es donde entra en juego nuestra esponja. Puede eliminar la contaminación y luego utilizarse una y otra vez».
Dravid es catedrático Abraham Harris de Ciencia e Ingeniería de Materiales en la Escuela de Ingeniería McCormick de Northwestern y director de iniciativas globales del Instituto Internacional de Nanotecnología.
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Cómo solucionar los vertidos
El proyecto se basa en el trabajo previo de Dravid para desarrollar esponjas altamente porosas para diversos aspectos de la remediación medioambiental. En mayo de 2020, su equipo presentó una nueva esponja diseñada para limpiar vertidos de petróleo. La esponja recubierta de nanopartículas, que ahora comercializa la empresa derivada de Northwestern MFNS Tech, ofrece una alternativa más eficaz, económica, ecológica y reutilizable que los métodos actuales para los vertidos de petróleo.
Pero Dravid sabía que no era suficiente. «Cuando se produce un vertido, se puede retirar el petróleo», explica. «Pero en esos vertidos también hay metales pesados tóxicos, como mercurio, cadmio, azufre y plomo. Así que, incluso cuando se retira el petróleo, algunas de las otras toxinas pueden permanecer».
Aclarar y repetir
Para abordar este aspecto del problema, el equipo de Dravid recurrió de nuevo a esponjas recubiertas con una capa ultrafina de nanopartículas. Tras probar distintos tipos de nanopartículas, el equipo descubrió que el mejor recubrimiento era el de goethita dopada con manganeso. Las nanopartículas de goethita dopadas con manganeso no sólo son baratas de fabricar, fáciles de conseguir y no tóxicas para el ser humano, sino que además tienen las propiedades necesarias para remediar selectivamente los metales pesados.
«Se necesita un material con una gran superficie, para que los iones de plomo tengan más espacio para adherirse», explica Benjamin Shindel, estudiante de doctorado en el laboratorio de Dravid y primer autor del artículo. «Estas nanopartículas tienen áreas superficiales elevadas y abundantes sitios superficiales reactivos para la adsorción y son estables, por lo que pueden reutilizarse muchas veces».
El equipo sintetizó lechadas de nanopartículas de goethita dopadas con manganeso, así como otras composiciones de nanopartículas, y recubrió con ellas esponjas de celulosa disponibles en el mercado. A continuación, enjuagaron las esponjas con agua para eliminar las partículas sueltas. Los recubrimientos finales medían sólo decenas de nanómetros de grosor.
Al sumergirla en agua contaminada, la esponja recubierta de nanopartículas secuestraba eficazmente los iones de plomo. La Administración de Alimentos y Medicamentos de EE.UU. exige que el agua potable embotellada contenga menos de 5 partes por billón de plomo. En los ensayos de filtración, la esponja redujo la cantidad de plomo a aproximadamente 2 partes por billón, lo que la hace potable.
«Estamos muy contentos», afirma Shindel. «Por supuesto, este rendimiento puede variar en función de varios factores. Por ejemplo, si tienes una esponja grande en un volumen diminuto de agua, funcionará mejor que una esponja diminuta en un lago enorme.»
La recuperación evita la minería
A partir de ahí, el equipo enjuagó la esponja con agua ligeramente acidificada, que Shindel comparó con «tener la misma acidez de la limonada». La solución ácida hizo que la esponja liberara los iones de plomo y estuviera lista para otro uso. Aunque el rendimiento de la esponja disminuía tras el primer uso, seguía recuperando más del 90% de los iones durante los siguientes ciclos de uso.
Esta capacidad de recoger y luego recuperar metales pesados es especialmente valiosa para eliminar metales raros y críticos, como el cobalto, de las fuentes de agua. El cobalto, ingrediente habitual de las baterías de iones de litio, se extrae con un alto coste energético y conlleva una larga lista de costes medioambientales y humanos.
«La presencia de metales pesados en el suministro de agua es un enorme reto de salud pública para todo el planeta», afirma Vinayak Dravid, científico de materiales.
Si los investigadores pudieran desarrollar una esponja que extrajera selectivamente del agua metales raros, entre ellos el cobalto, esos metales podrían reciclarse en productos como baterías.
«Para las tecnologías de energías renovables, como las baterías y las pilas de combustible, es necesaria la recuperación de metales», afirma Dravid. «De lo contrario, no habrá suficiente cobalto en el mundo para el creciente número de baterías. Debemos encontrar formas de recuperar metales de soluciones muy diluidas. De lo contrario, se convierte en algo venenoso y tóxico, que se queda ahí en el agua. Más vale que hagamos algo valioso con él».
Escala normalizada
Como parte del estudio, Dravid y su equipo establecieron nuevas reglas de diseño para ayudar a otros a desarrollar herramientas dirigidas a metales concretos, incluido el cobalto. En concreto, determinaron con precisión qué nanopartículas de bajo coste y no tóxicas tienen también una gran superficie y afinidad para adherirse a los iones metálicos. Estudiaron el comportamiento de los recubrimientos de óxidos de manganeso, hierro, aluminio y zinc en la adsorción de plomo. A continuación, establecieron relaciones entre las estructuras de estas nanopartículas y sus propiedades de adsorción.
Denominada «Nanomaterial Sponge Coatings for Heavy Metals» (o «Nano-SCHeMe»), la plataforma de remediación medioambiental puede ayudar a otros investigadores a diferenciar qué nanomateriales son los más adecuados para aplicaciones concretas.
«He leído mucha bibliografía que compara distintos revestimientos y adsorbentes», explica Caroline Harms, estudiante del laboratorio de Dravid y coautora del artículo. Realmente hay una falta de estandarización en este campo». Al analizar distintos tipos de nanopartículas, desarrollamos una escala comparativa que realmente funciona para todas ellas. Podría tener muchas implicaciones para avanzar en este campo».
Dravid y su equipo imaginan que su esponja podría utilizarse en filtros de agua comerciales, para la limpieza del medio ambiente o como paso añadido en instalaciones de recuperación y tratamiento de aguas.
«Este trabajo puede ser pertinente para los problemas de calidad del agua tanto a nivel local como mundial», afirma Shindel. «Queremos ver esto en el mundo, donde puede tener un impacto real».
El estudio, «Nano-SCHeME: Recubrimientos de esponja de nanomateriales para metales pesados, una plataforma de recuperación medioambiental», contó con el apoyo de la Fundación Nacional de la Ciencia y el Departamento de Energía de Estados Unidos.
Noticia tomada de: Argus Media / Traducción libre del inglés por World Energy Trade
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