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  • Nanoesponjas: esperanza de agua limpia para Sudáfrica

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

Hay quienes las encuentran parecidas a los panales; otros, a infinidad de tazas de té, cada una de ellas tiene apenas una billonésima 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 cañería que transporta el líquido hasta una central termoeléctrica, y ellas absorben el fluido, atrapando las impurezas en una multitud de minúsculas cavidades, y al mismo tiempo dejando pasar el agua pura.

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

Sin embargo, todavía no se sabe a ciencia cierta si las nanoesponjas cumplirán su promesa, tanto desde el punto de vista técnico como económico: aún tienen defectos, y su producción es costosa.

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

Krause, especialista en química orgánica del Departamento de Tecnología Química, sabe bien lo rebeldes que son los contaminantes del agua: muchos son tan diminutos que hasta cuesta detectarlos.

La contaminación del agua en Sudáfrica se origina principalmente por la actividad minera, generadora de residuos ácidos que se mezclan con las aguas subterráneas, explica Nndanganeni Musekene, encargado de protección de recursos del Ministerio de Asuntos Hídricos y Forestales en Johannesburgo.

Residuos ácidos procedentes de minas como ésta (en EE.UU.) son grandes fuentes de contaminación del agua

Flickr/savethewildup

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

Leonardo Manus, responsable de la regulación de la calidad del agua en el Ministerio, señala que alrededor del 88 por ciento de los 48 millones de habitantes de Sudáfrica 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 empeorará con el crecimiento industrial y el aumento de la población. En octubre pasado, el agua y la comida contaminada produjeron un brote de cólera en Zimbabwe que se propagó hacia Sudáfrica.

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 colaboración con dos centros de innovación en nanotecnología inaugurados en 2008, uno en Mintek, el organismo nacional de investigación minera, con sede en Johannesburgo, y el otro en el Consejo de Investigaciones Científicas e Industriales de Pretoria.

La investigación forma parte de un programa de nanotecnología más amplio que incluye la cooperación con la Universidad Rhodes en Grahamstown en el área de nanosensores y con la Universidad de El Cabo Occidental en bioetiquetado, comenta Robert Tshikhudo, responsable de nanotecnología de Mintek.

Para fabricar una nanoesponja, se parte del almidón común que, al entrar en contacto con una enzima natural específica, se degrada hasta formar anillos de moléculas de azúcar conocidas como ciclodextrinas. En cada anillo, o taza, hay entre seis y diez moléculas de azúcar, y cada una tiene un diámetro de apenas 1 ó 2 nanómetros (0,000000001 metros).

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

"Estos polímeros poseen nanocavidades que tienen la capacidad de atrapar a los contaminantes. Actúan como adsorbentes, o esponjas, así que el término nanoesponja se impuso", dice Krause.

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

Bheki Mamba: destacado investigador de las nanoesponjas

University of Johannesburg's Audio and Visual Unit

El ambiente al interior de la taza hace que repela el agua, mientras que fuera de ella la nanoesponja atrae el líquido. De esta manera, el agua escurre a través 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 específicos e incluso transformarlos en sustancias menos tóxicas.

Por ejemplo, una esponja con nanopartículas añadidas de hierro atrapará un contaminante clorado tóxico como el cloroformo, pero también lo transformará en otra sustancia no tan peligrosa, como el metano. El hierro ya se utiliza de este modo para limpiar vertidos industriales, aunque la reacción a escala nanométrica es mucho más rápida porque la superficie que ocupa el hierro es bastante más grande.

"No pretendemos desarrollar una única solución para todos los problemas, sino una serie de polímeros 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 científicos de Los Álamos, sugerían que las nanoesponjas serían capaces de reducir a su trillonésima parte los contaminantes orgánicos peligrosos presentes en el agua.

Un estudio publicado por Mamba, Krause y colegas el año pasado (octubre de 2008) indica que este sueño aún no se ha convertido en realidad. Los investigadores demostraron que las nanoesponjas lograron eliminar el 84 por ciento del material orgánico disuelto presente en el agua empleada para refrigerar una central. Es una tasa de éxito más o menos similar a la que presentan las tecnologías que ya están en uso, como las resinas y el carbón 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 confían en que las nanoesponjas terminarán superando a las tecnologías convencionales. El purificador adsorbente de agua más común empleado hoy día es el carbón activado, que se fabrica calentando materia orgánica, como huesos o madera, hasta que no queda más que carbón lleno de agujeritos que atrapan contaminantes.

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

"Las tecnologías actuales se basan principalmente en la adsorción", afirma Krause. "Entonces, para obtener grandes resultados creo que no necesitamos volver a inventar la pólvora, sino mejorarla. Si somos capaces de desarrollar un mecanismo ultra adsorbente no será necesario rediseñar todas las tecnologías de apoyo existentes desde cero."

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

Las centrales generadoras necesitan abundante agua limpia para refrigeración

Flickr/DanieVDM

"Con esto no queremos decir que los polímeros sean la solución perfecta", aclara Mamba. "Pero son mejores que el carbón activo, u otros materiales adsorbentes. Las nanoesponjas podrían adoptarse cuando otros métodos fallan o también si se quiere mejorar los tratamientos ya disponibles."

Costos y riesgos

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

Pero esta situación no va a durar mucho. "Hemos elegido el uretano como monómero de enlace, ya que la industria del poliuretano es muy importante en Sudáfrica, lo que abarata mucho su costo", explica Krause. Las ciclodextrinas también se podrían fabricar a bajo costo en el país.

Otro posible obstáculo se deriva de la increíble eficiencia de las nanoesponjas: al mismo tiempo que remueven materia orgánica indeseada, pueden eliminar minerales valiosos para la salud humana, reconoce Krause. "En una comunidad rural puede ser importante deshacerse de la contaminación biológica, por ejemplo, de [la bacteria] E. Coli, pero también conservar algunas trazas de minerales beneficiosos si fuera viable."

"Que esto sea un auténtico problema es discutible, ya que no obtenemos una cantidad significativa de minerales a partir del agua que bebemos, y los polímeros se pueden modificar para eliminar elementos de polaridad y tamaño específicos", argumenta.

Además, están los temores generales sobre las consecuencias que podrían traer los nanomateriales para la salud y el ambiente.

"Desconociendo las propiedades de las nanoesponjas, somos cautelosos", expresa Jo Burgess, gerente de la Comisión de Investigación del Agua de Sudáfrica, que financia el uso de nanotecnologías para la obtención de agua potable y el tratamiento de aguas residuales.

"Puede que las nanoesponjas sean materiales maravillosos que solo traen beneficios, pero también podrían ser otro tipo de asbesto, un material que parecía extraordinario y después terminó causando problemas de salud. O pueden resultar algo intermedio."

Se necesita investigar más 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 próximo objetivo de los investigadores es llevar a cabo proyectos piloto: "Estamos tratando de conformar un grupo de ingenieros y otros científicos para trabajar en la implementación de nuestro proyecto piloto de aquí a dos o tres años", explica Mamba.

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