02.06.2021 - Northwestern University

Una nueva "navaja suiza" limpia la contaminación del agua

Utilizada por primera vez para absorber el aceite en el agua, la nueva esponja secuestra el exceso de fosfato del agua

La contaminación por fosfatos en ríos, lagos y otras vías fluviales ha alcanzado niveles peligrosos, provocando floraciones de algas que privan de oxígeno a peces y plantas acuáticas. Mientras tanto, los agricultores de todo el mundo se enfrentan a la disminución de las reservas de fertilizantes fosfatados que alimentan la mitad del suministro de alimentos del mundo.

Inspirándose en las numerosas masas de agua cercanas a Chicago, un equipo dirigido por la Universidad Northwestern ha desarrollado una forma de extraer y reutilizar repetidamente el fosfato de las aguas contaminadas. Los investigadores comparan el desarrollo con una "navaja suiza" para remediar la contaminación, ya que adaptan su membrana para absorber y liberar posteriormente otros contaminantes.

La investigación se publicará durante la semana del 31 de mayo en la revista Proceedings of the National Academy of Science.

El fósforo sustenta tanto el sistema alimentario mundial como toda la vida en la Tierra. Todos los organismos vivos del planeta lo necesitan: el fósforo está en las membranas celulares, en el andamiaje del ADN y en nuestro esqueleto. Aunque otros elementos clave como el oxígeno y el nitrógeno pueden encontrarse en la atmósfera, el fósforo no tiene análogos. La pequeña fracción de fósforo utilizable procede de la corteza terrestre, que tarda miles o incluso millones de años en desaparecer. Y nuestras minas se están agotando.

Un artículo publicado en 2021 en The Atlantic por Julia Rosen citaba el ensayo de Isaac Asimov de 1939, en el que el escritor y químico estadounidense denominaba al fósforo "el cuello de botella de la vida".

Dada la escasez de este recurso natural no renovable, resulta tristemente irónico que muchos de nuestros lagos sufran un proceso conocido como eutrofización, que se produce cuando entran demasiados nutrientes en una fuente de agua natural. A medida que el fosfato y otros minerales se acumulan, la vegetación acuática y las algas se vuelven demasiado densas, agotando el oxígeno del agua y, en última instancia, matando la vida acuática.

"Antes reutilizábamos mucho más el fosfato", explica Stephanie Ribet, primera autora del artículo. "Ahora simplemente lo sacamos del suelo, lo usamos una vez y lo tiramos a las fuentes de agua después de usarlo. Así que es un problema de contaminación, de sostenibilidad y de economía circular".

Tradicionalmente, los ecologistas e ingenieros han desarrollado tácticas para hacer frente a las crecientes preocupaciones medioambientales y de salud pública en torno al fosfato, eliminando el fosfato de las fuentes de agua. Sólo recientemente se ha pasado de la eliminación a la recuperación del fosfato.

"Siempre se pueden hacer ciertas cosas en un entorno de laboratorio", dijo Vinayak Dravid, autor correspondiente del estudio. "Pero hay un diagrama de Venn cuando se trata de ampliar la escala, en el que se necesita poder escalar la tecnología, se quiere que sea eficaz y se quiere que sea asequible. Antes no había nada en esa intersección de los tres, pero nuestra esponja parece ser una plataforma que cumple todos estos criterios".

Dravid es el catedrático Abraham Harris de Ciencia de los Materiales e Ingeniería en la Escuela de Ingeniería McCormick de Northwestern, director fundador del Centro Experimental de Caracterización Atómica y a Nanoescala de la Universidad de Northwestern (NUANCE) y director del Recurso Experimental de Nanotecnología Blanda e Híbrida (SHyNE). Dravid también es director de iniciativas globales del Instituto Internacional de Nanotecnología de Northwestern. Ribet es estudiante de doctorado en el laboratorio de Dravid y primer autor del artículo.

La membrana PEARL (Phosphate Elimination and Recovery Lightweight) del equipo es un sustrato poroso y flexible (como una esponja recubierta, una tela o fibras) que secuestra selectivamente hasta el 99% de los iones de fosfato del agua contaminada. Recubierta con nanoestructuras que se unen al fosfato, la membrana PEARL puede ajustarse controlando el pH para que absorba o libere nutrientes y permita la recuperación del fosfato y la reutilización de la membrana durante muchos ciclos.

Los métodos actuales para eliminar el fosfato se basan en métodos complejos, largos y de varios pasos. La mayoría de ellos no recuperan también el fosfato durante la eliminación y acaban generando una gran cantidad de residuos físicos. La membrana PEARL ofrece un proceso sencillo de un solo paso para eliminar el fosfato que también lo recupera de forma eficaz. Además, es reutilizable y no genera residuos físicos.

Utilizando muestras del Distrito de Reclamación de Aguas de Chicago, los investigadores pusieron a prueba su teoría con la complejidad añadida de las muestras de agua reales.

"A menudo llamamos a esto una 'solución a nanoescala para un problema de gigatones'", dijo Dravid. "En muchos sentidos, las interacciones a nanoescala que estudiamos tienen implicaciones para la remediación a nivel macro".

El equipo ha demostrado que el método basado en esponjas es eficaz en escalas que van desde los miligramos hasta los kilogramos, lo que sugiere que es prometedor para escalar aún más.

Esta investigación se basa en un desarrollo anterior del mismo equipo -Vikas Nandwana, miembro del grupo de Dravid y coautor del presente estudio, fue el primer autor- llamado esponja OHM (multifuncional hidrofóbica oleofílica) que utilizaba la misma plataforma de esponja para eliminar y recuperar selectivamente el petróleo resultante de la contaminación por petróleo en el agua. Modificando el revestimiento de nanomateriales de la membrana, el equipo tiene previsto utilizar su estructura "plug-and-play" para perseguir los metales pesados. Ribet también dijo que se podrían tratar varios contaminantes a la vez aplicando múltiples materiales con afinidades adaptadas.

"Este reto de la recuperación del agua nos toca muy de cerca", dijo Ribet. "La cuenca occidental del lago Erie es una de las principales zonas en las que se piensa cuando se trata de la eutrofización, y me inspiró aprender más sobre los desafíos de la remediación del agua en nuestro vecindario de los Grandes Lagos".

  • "Phosphate Elimination and Recovery Lightweight (PEARL) Membrane: A Sustainable Environmental Remediation Approach"; Proceedings of the National Academy of Sciences; 2021

Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.

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