Acercar la ciencia al desarrollo mediante noticias y análisis

  • Nanoesponjas: esperanza de agua limpia para Sudáfrica

Las nanoesponjas pueden resolver los problemas de contaminacin del agua de un continente? Munyaradzi Makoni investiga el tema.

Hay quienes las encuentran parecidas a los panales; otros, a infinidad de tazas de t, cada una de ellas tiene apenas una billonsima parte de un metro de ancho. Pero a la hora de ponerles nombre, no dudaron en llamarlas nanoesponjas.

La idea es que uno puede sujetarlas con unas abrazaderas a una fuente de agua, sea el grifo de la cocina o la caera que transporta el lquido hasta una central termoelctrica, y ellas absorben el fluido, atrapando las impurezas en una multitud de minsculas cavidades, y al mismo tiempo dejando pasar el agua pura.

Desde luego, Sudfrica abriga la esperanza de que las nanoesponjas resuelvan sus problemas para depurar el agua all donde los tratamientos convencionales son insuficientes: desde llevar agua limpia a toda la poblacin hasta descontaminar los sistemas de refrigeracin para evitar que se pudran las turbinas de las centrales.

Sin embargo, todava no se sabe a ciencia cierta si las nanoesponjas cumplirn su promesa, tanto desde el punto de vista tcnico como econmico: an tienen defectos, y su produccin es costosa.

DeQuan Li y Min Ma, del Laboratorio Nacional Los lamos en los Estados Unidos, se inventaron las nanoesponjas. En menos de dos aos, Bheki Mamba y Rui Krause, de la Universidad de Johannesburgo, Sudfrica, comenzaron a estudiar estas esponjas: en seguida vieron el potencial que encerraban para su propio continente.

Krause, especialista en qumica orgnica del Departamento de Tecnologa Qumica, sabe bien lo rebeldes que son los contaminantes del agua: muchos son tan diminutos que hasta cuesta detectarlos.

La contaminacin del agua en Sudfrica se origina principalmente por la actividad minera, generadora de residuos cidos que se mezclan con las aguas subterrneas, explica Nndanganeni Musekene, encargado de proteccin de recursos del Ministerio de Asuntos Hdricos y Forestales en Johannesburgo.

Los residuos agrcolas provenientes de fertilizantes fosforados y las aguas residuales no hacen sino agravar el problema.

Leonardo Manus, responsable de la regulacin de la calidad del agua en el Ministerio, seala que alrededor del 88 por ciento de los 48 millones de habitantes de Sudfrica cuentan con acceso al agua potable. El resto (por lo menos uno de cada diez) suelen ser pobres de zonas rurales marginales. El acceso al agua limpia muy probablemente empeorar con el crecimiento industrial y el aumento de la poblacin. En octubre pasado, el agua y la comida contaminada produjeron un brote de clera en Zimbabwe que se propag hacia Sudfrica.

Mejores que los filtros

En el laboratorio, Mamba y Krause supervisan a unos 30 estudiantes de posgrado de India, Suazilandia y Zimbabwe. El estudio se realiza en colaboracin con dos centros de innovacin en nanotecnologa inaugurados en 2008, uno en Mintek, el organismo nacional de investigacin minera, con sede en Johannesburgo, y el otro en el Consejo de Investigaciones Cientficas e Industriales de Pretoria.

La investigacin forma parte de un programa de nanotecnologa ms amplio que incluye la cooperacin con la Universidad Rhodes en Grahamstown en el rea de nanosensores y con la Universidad de El Cabo Occidental en bioetiquetado, comenta Robert Tshikhudo, responsable de nanotecnologa de Mintek.

Para fabricar una nanoesponja, se parte del almidn comn que, al entrar en contacto con una enzima natural especfica, se degrada hasta formar anillos de molculas de azcar conocidas como ciclodextrinas. En cada anillo, o taza, hay entre seis y diez molculas de azcar, y cada una tiene un dimetro de apenas 1 2 nanmetros (0,000000001 metros).

Luego se une cada ciclodextrina con una molcula que sirve de enlace a la siguiente ciclodextrina, y as sucesivamente, hasta formar una larga cadena, es decir, un polmero.

Estos polmeros poseen nanocavidades que tienen la capacidad de atrapar a los contaminantes. Actan como adsorbentes, o esponjas, as que el trmino nanoesponja se impuso, dice Krause.

La magia de las nanoesponjas radica en su habilidad para reaccionar ante la carga de una molcula, y no solo actuar en funcin de su tamao, como los filtros comunes.

El ambiente al interior de la taza hace que repela el agua, mientras que fuera de ella la nanoesponja atrae el lquido. De esta manera, el agua escurre a travs de la esponja con facilidad, mientras que los pesticidas y muchos otros contaminantes quedan atrapados en las tazas. Las nanoesponjas son filtros inteligentes, dice Krause.

Y eso no es todo: se puede 'etiquetar' a las esponjas con otras sustancias capaces de identificar contaminantes especficos e incluso transformarlos en sustancias menos txicas.

Por ejemplo, una esponja con nanopartculas aadidas de hierro atrapar un contaminante clorado txico como el cloroformo, pero tambin lo transformar en otra sustancia no tan peligrosa, como el metano. El hierro ya se utiliza de este modo para limpiar vertidos industriales, aunque la reaccin a escala nanomtrica es mucho ms rpida porque la superficie que ocupa el hierro es bastante ms grande.

No pretendemos desarrollar una nica solucin para todos los problemas, sino una serie de polmeros a modo de 'bloques para armar', que se puedan disponer de maneras concretas para satisfacer las distintas necesidades de la industria, explica Krause.

El truco final de la nanoesponja es que una vez saturada de basura, se puede lavar con un solvente seguro como el etanol y volver a utilizar.

El purificador perfecto?

Algunas de las primeras investigaciones, publicadas por cientficos de Los lamos, sugeran que las nanoesponjas seran capaces de reducir a su trillonsima parte los contaminantes orgnicos peligrosos presentes en el agua.

Un estudio publicado por Mamba, Krause y colegas el ao pasado (octubre de 2008) indica que este sueo an no se ha convertido en realidad. Los investigadores demostraron que las nanoesponjas lograron eliminar el 84 por ciento del material orgnico disuelto presente en el agua empleada para refrigerar una central. Es una tasa de xito ms o menos similar a la que presentan las tecnologas que ya estn en uso, como las resinas y el carbn activado.

Pero Krause es optimista: Considerando que se trata de un material nuevo, ese resultado preliminar en un entorno industrial es muy promisorio, agrega.

Los investigadores confan en que las nanoesponjas terminarn superando a las tecnologas convencionales. El purificador adsorbente de agua ms comn empleado hoy da es el carbn activado, que se fabrica calentando materia orgnica, como huesos o madera, hasta que no queda ms que carbn lleno de agujeritos que atrapan contaminantes.

Es un mecanismo habitual y econmico que tiene infinidad de usos, desde jarras filtradoras de agua para el hogar, hasta centrales generadoras.

Las tecnologas actuales se basan principalmente en la adsorcin, afirma Krause. Entonces, para obtener grandes resultados creo que no necesitamos volver a inventar la plvora, sino mejorarla. Si somos capaces de desarrollar un mecanismo ultra adsorbente no ser necesario redisear todas las tecnologas de apoyo existentes desde cero.

Eso significa que no hay necesidad de inventar soluciones radicalmente diferentes [especficas] para la industria energtica, para el tratamiento del agua potable en el medio rural y para su tratamiento en el medio urbano.

Con esto no queremos decir que los polmeros sean la solucin perfecta, aclara Mamba. Pero son mejores que el carbn activo, u otros materiales adsorbentes. Las nanoesponjas podran adoptarse cuando otros mtodos fallan o tambin si se quiere mejorar los tratamientos ya disponibles.

Costos y riesgos

Uno de los mayores obstculos asociados al programa de las nanoesponjas es el gasto. El nico costo real del carbn activado procede del tratamiento trmico que se da a los residuos para producirlo. Sin embargo, las nanoesponjas se fabrican empleando dos monmeros, que deben ser fabricados en un proceso de varias fases y luego importados.

Pero esta situacin no va a durar mucho. Hemos elegido el uretano como monmero de enlace, ya que la industria del poliuretano es muy importante en Sudfrica, lo que abarata mucho su costo, explica Krause. Las ciclodextrinas tambin se podran fabricar a bajo costo en el pas.

Otro posible obstculo se deriva de la increble eficiencia de las nanoesponjas: al mismo tiempo que remueven materia orgnica indeseada, pueden eliminar minerales valiosos para la salud humana, reconoce Krause. En una comunidad rural puede ser importante deshacerse de la contaminacin biolgica, por ejemplo, de [la bacteria] E. Coli, pero tambin conservar algunas trazas de minerales beneficiosos si fuera viable.

Que esto sea un autntico problema es discutible, ya que no obtenemos una cantidad significativa de minerales a partir del agua que bebemos, y los polmeros se pueden modificar para eliminar elementos de polaridad y tamao especficos, argumenta.

Adems, estn los temores generales sobre las consecuencias que podran traer los nanomateriales para la salud y el ambiente.

Desconociendo las propiedades de las nanoesponjas, somos cautelosos, expresa Jo Burgess, gerente de la Comisin de Investigacin del Agua de Sudfrica, que financia el uso de nanotecnologas para la obtencin de agua potable y el tratamiento de aguas residuales.

Puede que las nanoesponjas sean materiales maravillosos que solo traen beneficios, pero tambin podran ser otro tipo de asbesto, un material que pareca extraordinario y despus termin causando problemas de salud. O pueden resultar algo intermedio.

Se necesita investigar ms para conocer la eficacia de las nanoesponjas, el futuro que les espera y las consecuencias que puedan traer para el ambiente y la salud antes de que nos atrevamos a generalizar su uso.

Por ello, el prximo objetivo de los investigadores es llevar a cabo proyectos piloto: Estamos tratando de conformar un grupo de ingenieros y otros cientficos para trabajar en la implementacin de nuestro proyecto piloto de aqu a dos o tres aos, explica Mamba.

Mientras tanto, Mintek disea plataformas para probar la capacidad de las nanoesponjas para eliminar contaminantes industriales del agua. Tshikhudo espera que una de ellas est lista para finales de ao. Krause y Mamba tambin estn trabajando con investigadores de Brasil, India y Holanda con el fin de acelerar los ensayos piloto.

Republicar
Sin costo alguno, usted o su medio pueden publicar este artículo en línea o de manera impresa, gracias a nuestra Licencia de Atribución de Creative Commons. Lo animamos a hacerlo siguiendo estas sencillas instrucciones:
  1. Dar el crédito a los autores.
  2. Dar el crédito a SciDev.Net y si le es posible incluir nuestro logo y un enlace al final que lleve al artículo original.
  3. Puede también publicar las primeras líneas del artículo y luego añadir: "Lea el artículo completo en SciDev.Net" e incluir un enlace al artículo original.
  4. Si además quiere tomar las imágenes que publicamos en esta historia, deberá confirmar con la fuente original si le permite hacerlo.
  5. El modo más fácil de publicar este artículo en su sitio es usando el código que incluimos a continuación.
Para mayor información revise nuestras instrucciones de reproducción y la página de medios.