17.08.2022 - Drexel University

Ponerse al día con el azogue: El material MXene puede contrarrestar la contaminación por mercurio

Los investigadores demuestran que el MXeno carboxilado puede tratar eficazmente el agua contaminada con mercurio

Los investigadores estiman que las emisiones de mercurio en la atmósfera se han cuadruplicado desde la Revolución Industrial. Este metal pesado, generado por la quema de combustibles fósiles y la eliminación de residuos industriales y médicos, se ha vuelto tan persistente en los medios acuáticos que la Administración de Alimentos y Medicamentos de EE.UU. sugiere que una media docena de especies de pescado están tan contaminadas por el mercurio que la gente debería evitar consumirlas. Los investigadores llevan muchos años trabajando en el desarrollo de sistemas para eliminar el mercurio del agua. Pero un equipo de la Universidad de Drexel podría haber encontrado el material adecuado para atrapar eficazmente el azogue, incluso a niveles bajos, y limpiar las masas de agua contaminadas.

Entre los muchos métodos para eliminar el mercurio del agua, la adsorción -el proceso de atraer y eliminar químicamente los contaminantes- es la tecnología más prometedora debido a su relativa simplicidad, eficacia y bajo coste, según el profesor de la Facultad de Ingeniería de Drexel, Masoud Soroush, PhD, cuyo laboratorio está desarrollando una nueva tecnología de adsorción.

"Los adsorbentes modernos, como las resinas, la sílice mesoporosa, los calcogenuros y los carbones mesoporosos, tienen una mayor eficiencia que los adsorbentes tradicionales, como el carbón activado, las arcillas y las zeolitas, que tienen poca afinidad por el mercurio y poca capacidad", dijo Soroush. "Sin embargo, el problema de todos estos materiales es que sus eficiencias de eliminación de mercurio siguen siendo bajas y no son capaces de reducir el nivel de mercurio a menos de una parte por billón".

El equipo de investigadores de Soroush, de las universidades de Drexel y Temple, ha estudiado la posibilidad de sintetizar y utilizar un MXeno de carburo de titanio modificado en su superficie para eliminar el mercurio. Los MXenos son una familia de nanomateriales bidimensionales que se descubrió en Drexel hace más de una década y que ha demostrado muchas propiedades excepcionales. El equipo ha publicado recientemente sus resultados en el Journal of Hazardous Materials.

Para la eliminación de iones de mercurio, las ventajas del carburo de titanio MXene, según Soroush, son su superficie cargada negativamente y la sintonización y versatilidad de su química superficial, lo que hace que el MXene sea atractivo para la eliminación de iones de metales pesados. Gracias a estas propiedades y a la estructura en capas del MXeno, los materiales de carburo de titanio basados en el MXeno han demostrado un rendimiento superior en la separación de gases, la eliminación de sal del agua, la eliminación de bacterias y la diálisis renal.

"Sabíamos que los materiales 2D, como el óxido de grafeno y el disulfuro de molibdeno, habían sido eficaces anteriormente en la eliminación de metales pesados de las aguas residuales a través de la adsorción debido a sus funcionalidades/estructuras químicas que atraen los iones metálicos", dijo Soroush. "Los MXenos son un tipo de material similar, pero estimamos que el carburo de titanio MXeno podría tener una capacidad de absorción mucho mayor que la de estos otros materiales, lo que lo convertiría en un mejor sorbente para los iones de mercurio".

Pero el equipo de Soroush necesitaba hacer un ajuste clave en la estructura química del carburo de titanio MXene para mejorar aún más el material para una de sus tareas más difíciles.

"El mercurio se llama azogue por una razón: es bastante evasivo una vez que se emite al medio ambiente, ya sea por la quema de combustibles fósiles, la minería o la incineración de residuos", dijo Soroush. "Cambia rápidamente su forma química, lo que aumenta su toxicidad y dificulta enormemente su eliminación de las masas de agua donde inevitablemente se acumula. Así que, para atraer los iones de mercurio aún más rápido, necesitábamos modificar la superficie de las escamas de carburo de titanio MXene".

Existe una atracción natural entre los iones de mercurio y la superficie de carburo de titanio MXene, ya que los iones metálicos, como el mercurio, están cargados positivamente y la superficie de las escamas de MXene está cargada negativamente. Sin embargo, para extraer los iones de mercurio del agua con más fuerza, el equipo necesitaba dar un impulso a esta atracción. Para ello, trataron las escamas de MXeno con ácido cloroacético -un proceso denominado carboxilación-, que dota al MXeno de grupos de ácido carboxílico muy móviles y fuertes y aumenta la carga negativa de la superficie de las escamas de MXeno, mejorando la capacidad de éstas para atraer y retener los iones de mercurio.

El resultado fue un nuevo material absorbente, el carburo de titanio carboxilado MXene, que demostró una absorción más rápida de los iones de mercurio y una mayor capacidad que todos los adsorbentes disponibles en el mercado, según los investigadores.

"El carburo de titanio carboxilado MXene demostró ser muy superior al material adsorbente que se utiliza actualmente para la eliminación de iones de mercurio", dijo Soroush. "En un minuto fue capaz de eliminar el 95% de los iones de mercurio de una muestra de agua contaminada a una concentración de 50 partes por millón, lo que significa que podría ser lo suficientemente eficaz y eficiente para su uso en el tratamiento de aguas residuales a gran escala".

En cinco minutos, el carburo de titanio MXene y el carburo de titanio carboxilado MXene eliminaron el 98% de los iones de mercurio de una muestra de agua de 10 mililitros contaminada con iones de mercurio en concentraciones de entre 1 y 1000 partes por millón.

"Esto indica que tanto el [MXeno] como el [MXeno carboxilado] son adsorbentes eficaces para eliminar los iones de mercurio de las aguas residuales debido a sus propiedades estructurales especiales y a la alta densidad de grupos funcionales de la superficie", escribió el equipo. "Generalmente, el mecanismo de adsorción de los iones metálicos sigue dos pasos; al principio, los iones se adsorben rápidamente en los sitios activos disponibles, y el proceso es rápido. La adsorción avanza más lentamente a medida que los sitios de adsorción se llenan, y los iones tienen que difundirse en los poros y la capa intermedia".

El desarrollo es significativo en la batalla para contener la contaminación por mercurio, que se ha vuelto tan omnipresente que las autoridades sanitarias recomiendan evitar por completo el consumo de ciertas especies de pescado. Los esfuerzos por contener el mercurio liberado por la quema de combustibles fósiles han resultado tan difíciles como reducir la dependencia de los propios combustibles.

Si bien el abandono de las fuentes de energía contaminantes es la solución definitiva para evitar la liberación de metales pesados, como el mercurio, en el medio ambiente, Soroush sugiere que este avance podría abrir nuevas posibilidades para limpiar la contaminación ya creada.

"Prevemos que el uso de la tecnología del MXeno carboxilado elimine todos los iones de metales pesados", dijo. "Además de utilizar el MXeno carboxilado como sorbente, otra forma de conseguirlo es fabricar filtros recubiertos o incrustados con el MXeno carboxilado".

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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