De tóxico a valioso: depurar las aguas residuales, descubrir un tesoro
Un grupo de investigadores desarrolla un método «2 en 1» para eliminar los metales pesados del agua y recuperar valiosos elementos de tierras raras de la misma
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Por lo general, tiramos a la basura una lente de cámara rota, unos auriculares o un teléfono viejo que ha dejado de funcionar y ya no tiene arreglo, ya que nos parecen inútiles cuando no funcionan. Sin embargo, estos objetos esconden en su interior elementos de tierras raras (REE) que tienen aplicaciones en imanes, superconductividad, óptica y baterías, entre otras. Cuando estos objetos acaban en el agua, resulta difícil recuperar los REEs.
Por otro lado, las actividades industriales pueden introducir metales tóxicos como el plomo, el cadmio, el níquel y el manganeso en esa misma agua. El reto ya no consiste simplemente en cómo eliminar del agua estos contaminantes metálicos indeseados y nocivos, sino también en recuperar de forma eficiente los valiosos REE.
¿Y si una única estrategia pudiera ayudar a abordar ambas cuestiones? En un esfuerzo en esta dirección, investigadores del Instituto Indio de Tecnología de Gandhinagar (IITGN), la Universidad de Cambridge y la Universidad de Birmingham han desarrollado de forma conjunta un protocolo que utiliza una clase de materiales altamente porosos denominados estructuras metalorgánicas (MOF). Estos materiales pueden capturar de manera eficiente metales tóxicos del agua, así como recuperar valiosos elementos de tierras raras de los flujos de residuos. El estudio, publicado en *Nature Protocols*, ofrece un marco para diseñar, caracterizar y aplicar los MOF en la depuración del agua, así como en aplicaciones de economía circular, teniendo en cuenta las condiciones del mundo real.
Un filtro inteligente
Imagina el MOF como una red de pesca molecular. Sus innumerables poros conforman una amplia superficie de captura, mientras que unos sitios químicos especialmente diseñados actúan como anzuelos capaces de atrapar metales concretos. Los investigadores ajustaron esta red de tal manera que atrapa preferentemente los metales que buscan. Es como identificar y seleccionar específicamente canicas de color rojo y verde de un cubo que contiene cientos de canicas de diferentes colores.
Algunos MOF pueden tener superficies internas de hasta 7.000 metros cuadrados por gramo. Para poner esta cifra en perspectiva, un gramo puede parecer una pizca minúscula de polvo, ¡pero en su interior hay una superficie comparable a la de todo un campo de fútbol!
Esta enorme superficie interna hace que los MOF resulten atractivos como adsorbentes. En términos sencillos, funcionan como materiales que retienen sustancias en sus superficies. Aunque los métodos convencionales, como la precipitación, la coagulación y la floculación, pueden ser útiles para el tratamiento del agua, suelen ser sensibles al pH, y su eliminación óptima se limita a rangos muy estrechos. En términos generales, la precipitación permite que las impurezas pesadas se depositen, la coagulación hace que las impurezas se agrupen, y la floculación hace que los pequeños grupos de impurezas choquen entre sí y crezcan hasta formar aglomerados más grandes que pueden separarse.
Estos enfoques también requieren una gran infraestructura y generan grandes cantidades de lodos, un residuo espeso y fangoso que luego hay que gestionar y eliminar. Otros procesos, como el tratamiento electroquímico, tienen elevados costes económicos y medioambientales.
La adsorción ofrece una alternativa eficaz y de funcionamiento sencillo, con una amplia aplicabilidad y eficacia incluso a bajas concentraciones de contaminantes. Dado que se basa en el grado de afinidad de los metales objetivo con la superficie diseñada a medida, tiene el potencial de eliminar entre el 90 % y el 99 % de los contaminantes, ¡como si se tratara de un filtro altamente selectivo! El uso de enfoques basados en la adsorción también evita la generación de contaminantes secundarios y permite la regeneración y la reutilización. En este ámbito, los MOF destacan por su excepcional flexibilidad de diseño a la hora de capturar y recuperar metales.
Más allá del laboratorio
En el mundo real, los efluentes industriales —productos de desecho vertidos a las masas de agua procedentes de instalaciones de fabricación, minería y procesamiento químico— contienen no solo uno, sino muchos metales, junto con otros contaminantes como pesticidas, detergentes y contaminantes orgánicos.
El protocolo detalla una metodología que puede utilizarse para emplear los MOF como adsorbentes en la recuperación y eliminación de metales en condiciones controladas. El protocolo incluye ensayos en escenarios complejos del mundo real. Por ejemplo, se evaluaron la eliminación y la recuperación utilizando aguas residuales alcalinas (pH ~ 8,5), turbias y con un alto contenido de impurezas sólidas disueltas. El método también se probó en agua de mar artificial y en muestras derivadas de residuos electrónicos. El flujo de trabajo desarrollado en este estudio puede aplicarse a adsorbentes similares y a otros contaminantes.
«Para mí, lo más interesante fue observar cómo el MOF de nuestro protocolo demostraba una capacidad de adsorción considerable», afirmó Dhruv Menon (BTech, IITGN). Añadió: «Los experimentos demostraron que un gramo del MOF a base de cobre podía capturar casi medio gramo de plomo (490 mg/g) y, aproximadamente, un cuarto de gramo tanto de cadmio (264 mg/g) como de manganeso (226 mg/g). En el caso de los elementos de tierras raras, podía capturar alrededor de un tercio de gramo por gramo de material (351 mg/g de neodimio, 343 mg/g de itrio, 335 mg/g de disprosio, 337 mg/g de terbio y 345 mg/g de europio)». El Sr. Menon es actualmente estudiante de doctorado en el Departamento de Ingeniería Química y Biotecnología de la Universidad de Cambridge.
Hacia la sostenibilidad
Tal y como explica el profesor Superb Misra: «Se necesitan enfoques que puedan resolver múltiples retos medioambientales de forma simultánea. Nos centramos en optimizar el rendimiento de los MOF para emplearlos en aplicaciones de remediación medioambiental. Dicho esto, es fundamental comprender que los experimentos controlados por lotes no pueden predecir por completo los comportamientos en aguas residuales complejas. Es necesario tener en cuenta factores como la fabricación a gran escala, los análisis de costes, la evaluación del ciclo de vida de los MOF y los ensayos reglamentarios». El Dr. Misra es catedrático de la Cátedra Jibaben Patel en el Departamento de Ingeniería de Materiales del IITGN e investigador principal del Grupo de Biomateriales Nanotecnológicos.
Otros miembros del equipo que participaron en este estudio fueron Prathmesh Bhadane (doctor por el IITGN; becario posdoctoral en el IIT de Bombay), Priya Mahato (estudiante de doctorado, IITGN), Prateek Goyal (doctor, IITGN), la Dra. Iseult Lynch (profesora de la Facultad de Geografía, Ciencias de la Tierra y del Medio Ambiente de la Universidad de Birmingham) y el Dr. Swaroop Chakraborty (becario del NERC, Universidad de Birmingham).
Esta investigación se enmarca en el Plan de Incentivos para el Reciclaje de Minerales Críticos del Gobierno de la India, que forma parte de la Misión Nacional de Minerales Críticos, cuyo objetivo es desarrollar la capacidad nacional de reciclaje para separar y producir minerales críticos a partir de fuentes secundarias, incluidos los crecientes volúmenes de residuos electrónicos y de baterías. El IIT de Gandhinagar es socio del Centro de Excelencia de la Misión Nacional de Minerales Críticos, con sede en el IIT (ISM) de Dhanbad. Los resultados también están en consonancia con la Iniciativa de Seguridad Tecnológica entre el Reino Unido y la India, que implica la colaboración en la extracción y recuperación sostenibles de minerales críticos a partir de flujos de residuos al final de su vida útil. Asimismo, coinciden con los Objetivos de Desarrollo Sostenible 6, 9 y 12 de las Naciones Unidas, centrados en el agua limpia y el saneamiento, la industria y la innovación, y el consumo y la producción responsables.
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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