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Tecnología

Descubren método que depura el agua de metales tóxicos


La desalinización es sólo un paso en el proceso de producción de agua potable, o agua para la agricultura o la industria, a partir de aguas oceánicas o residuales.

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Químicos de la Universidad de California Berkeley han descubierto una forma de simplificar la eliminación de metales tóxicos, como el mercurio y el boro, durante la desalación para producir agua limpia.

La desalinización es sólo un paso en el proceso de producción de agua potable, o agua para la agricultura o la industria, a partir de aguas oceánicas o residuales. Antes o después de la eliminación de la sal, el agua a menudo tiene que ser tratada para eliminar el boro, que es tóxico para las plantas, y los metales pesados como el arsénico y el mercurio, que son tóxicos para los seres humanos. A menudo, el proceso deja una salmuera tóxica que puede ser difícil de eliminar.

La nueva técnica, que puede añadirse fácilmente a los actuales procesos de desalinización por electrodiálisis basados en membranas, elimina casi el 100% de estos metales tóxicos, produciendo una salmuera pura junto con agua pura y aislando los metales valiosos para su posterior uso o eliminación.

“Las plantas de desalinización o de tratamiento del agua suelen requerir una larga serie de sistemas de pre y post-tratamiento de alto coste por los que tiene que pasar toda el agua, una por una –explica Adam Uliana, estudiante de posgrado de la UC Berkeley y primer autor de un artículo que describe la tecnología–. Pero aquí tenemos la posibilidad de realizar varios de estos pasos en uno solo, lo que supone un proceso más eficiente. Básicamente, se podría implementar en los montajes existentes”.

Los químicos de la UC Berkeley sintetizaron membranas poliméricas flexibles, como las que se utilizan actualmente en los procesos de separación por membranas, pero con nanopartículas incrustadas que pueden ajustarse para absorber iones metálicos específicos: iones de oro o de uranio, por ejemplo. La membrana puede incorporar un solo tipo de nanopartícula sintonizada, si se quiere recuperar el metal, o varios tipos diferentes, cada uno de ellos sintonizado para absorber un metal o un compuesto iónico diferente, si hay que eliminar varios contaminantes en un solo paso.

Los investigadores esperan poder ajustar las nanopartículas para eliminar otros tipos de sustancias químicas tóxicas, incluido un contaminante habitual de las aguas subterráneas: Los PFAS, o sustancias polifluoradas, que se encuentran en los plásticos. El nuevo proceso, que denominan electrodiálisis de captura de iones, también podría eliminar isótopos radiactivos de los efluentes de las centrales nucleares.

En su estudio, Uliana y el autor principal, Jeffrey Long, profesor de química de la UC Berkeley, demuestran que las membranas de polímero son muy eficaces cuando se incorporan a sistemas de electrodiálisis basados en membranas -en los que un voltaje eléctrico impulsa los iones a través de la membrana para eliminar la sal y los metales- y a la diálisis por difusión, que se utiliza principalmente en el procesamiento químico.

“La electrodiálisis es un método conocido para hacer desalinización, y aquí lo estamos haciendo de una manera que incorpora estas nuevas partículas en el material de la membrana y captura iones tóxicos específicos o solutos neutros, como el boro –señala Long–. Así, mientras se conducen los iones a través de esta membrana, también se descontamina el agua para, por ejemplo, el mercurio. Pero estas membranas también pueden ser muy selectivas para eliminar otros metales, como el cobre y el hierro, a gran capacidad”.

Aunque la ósmosis inversa y la electrodiálisis funcionan bien para eliminar la sal de fuentes de agua de alta salinidad, como el agua de mar, la salmuera concentrada que queda puede tener altos niveles de metales, como cadmio, cromo, mercurio, plomo, cobre, zinc, oro y uranio.

Pero el océano está cada vez más contaminado por la industria y la escorrentía agrícola, y las fuentes interiores aún más. “Esto sería especialmente útil para aquellas zonas que tienen niveles bajos de contaminantes que siguen siendo tóxicos a estos niveles bajos, así como para diferentes sitios de aguas residuales que tienen muchos tipos de iones tóxicos en sus corrientes”, señala Long.

La mayoría de los procesos de desalinización eliminan la sal, que existe en gran medida en forma de iones de sodio y cloro en el agua, utilizando una membrana de ósmosis inversa, que deja pasar el agua pero no los iones, o un polímero de intercambio iónico, que deja pasar los iones pero no el agua. La nueva tecnología se limita a añadir nanopartículas porosas, cada una de ellas de unos 200 nanómetros de diámetro, que capturan iones específicos mientras permiten el paso del sodio, el cloro y otras moléculas cargadas que no son el objetivo.

Long diseña y estudia materiales porosos que pueden ser decorados con moléculas únicas que capturan compuestos específicos de corrientes líquidas o gaseosas: el dióxido de carbono de las emisiones de las centrales eléctricas, por ejemplo.

Las nanopartículas utilizadas en estas membranas poliméricas se denominan marcos aromáticos porosos, o PAF, que son redes tridimensionales de átomos de carbono unidos por compuestos formados por múltiples moléculas en forma de anillo, grupos químicos denominados compuestos aromáticos.

La estructura interna está relacionada con la de un diamante, pero con el enlace entre los átomos de carbono alargado por el enlazador aromático para crear mucho espacio interno. A los enlazadores aromáticos se pueden unir diversas moléculas para capturar sustancias químicas específicas.

Para capturar el mercurio, por ejemplo, se añaden compuestos de azufre llamados tioles, que se sabe que se unen fuertemente al mercurio. Los grupos de azufre metilados añadidos permiten capturar el cobre, y los grupos que contienen oxígeno y azufre capturan el hierro. Las nanopartículas alteradas representan un 20% del peso de la membrana, pero, al ser muy porosas, suponen un 45% del volumen.

Los cálculos sugieren que un kilogramo de la membrana polimérica podría eliminar prácticamente todo el mercurio de 35.000 litros de agua que contenga 5 partes por millón (ppm) del metal, antes de requerir la regeneración de la membrana.

Uliana demostró en sus experimentos que el ácido bórico, un compuesto de boro que es tóxico para los cultivos, puede ser eliminado por estas membranas, aunque con una diálisis de difusión que se basa en un gradiente de concentración para conducir el producto químico -que no es iónico, como los metales- a través de la membrana para ser capturado por las nanopartículas de PAF.

“Probamos diferentes tipos de agua de alta salinidad -por ejemplo, aguas subterráneas, aguas residuales industriales y también agua salobre- y el método funciona para cada uno de ellos –explica–. Parece ser versátil para diferentes fuentes de agua; ése era uno de los principios de diseño que queríamos poner en esto”.

Uliana también demostró que las membranas pueden reutilizarse muchas veces -al menos 10, pero probablemente más- sin perder su capacidad de absorber metales iónicos. Y las membranas que contienen PAFs afinados para absorber metales liberan fácilmente los metales absorbidos para su captura y reutilización.

“Se trata de una tecnología en la que, en función de las impurezas tóxicas, se puede personalizar la membrana para tratar ese tipo de agua –añade Long–. Por ejemplo, en Michigan puede haber problemas con el plomo o en Bangladesh con el hierro y el arsénico. Por tanto, las membranas se dirigen a fuentes de agua contaminadas específicas. Estos materiales realmente los reducen a niveles a menudo inconmensurables”.

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