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  • Nanotecnología para obtener agua limpia: hechos y cifras

La nanotecnologa puede llevar agua potable a millones de personas. David J. Grimshaw destaca su potencial, avances y algunos de sus riesgos

Histricamente, la tecnologa ha sido importante para el abastecimiento de agua potable y el riego de los cultivos para el consumo humano. De hecho, las personas han contado con tecnologas para el agua durante miles de aos: los romanos ya usaban acueductos para transportar el agua potable alrededor del ao 300 AC. Sin embargo, hacer que la tecnologa moderna sea accesible y al alcance del bolsillo de los pobres del mundo es una tarea ingente. Es posible que la nanotecnologa funcione mejor que las tecnologas anteriores?

El agua es un recurso escaso y, para muchos pases, en especial en Medio Oriente, la oferta ya no alcanza para satisfacer la demanda. Sometida a las presiones del cambio climtico y del crecimiento demogrfico, el agua se convertir en un recurso an ms escaso, sobre todo en las regiones en desarrollo, donde incluso el agua disponible suele no ser apta para el consumo (vase Tabla 1).

Personas que carecen de acceso a fuentes de abastecimiento de agua potable (alrededor de una de cada ocho)

6 kilmetros

Distancia promedio que recorren a pie las mujeres africanas y asiticas en busca de agua

Personas que mueren al ao a causa de enfermedades relacionadas con el agua

Muertes relacionadas con el agua que suceden en el mundo en desarrollo

Muertes en nios de 0 a 14 aos relacionadas con el agua

Muertes relacionadas con el agua causadas por la diarrea

Personas en riesgo de intoxicacin por arsnico en la regin de Bangladesh, India y Nepal

La lucha por asegurar que toda la poblacin tenga acceso al agua potable ha sido consagrada en los Objetivos de Desarrollo del Milenio de la ONU, al proponer que en 2015 se reduzca a la mitad la cantidad de personas carentes de acceso sostenible al agua potable. Segn el Programa Mundial de Evaluacin de los Recursos Hdricos, lograrlo significara mejorar el abastecimiento de agua de 1.500 millones de personas. [2]

Pero cmo conseguirlo? La economa y la tecnologa a menudo han aportado enfoques para proveer de agua a comunidades pobres. La solucin econmica pondra nfasis en la importancia de la reglamentacin, las instituciones y la apertura de los mercados. Por su parte, el enfoque tecnolgico se centrara en el diseo de bombas de agua, sistemas de filtracin o aplicaciones novedosas, por ejemplo, de tipo nanotecnolgico.

El potencial de la nanotecnologa

A diferencia de otras tecnologas, que han nacido directamente de una disciplina cientfica concreta, la nanotecnologa abarca un amplio abanico de reas de estudio. En esencia, se define por la escala en la que opera: la nanociencia y la nanotecnologa suponen estudiar y trabajar con materia a escala ultra pequea. Un nanmetro es la millonsima parte de un milmetro y un solo cabello humano tiene unos 80.000 nanmetros de ancho. [3] Es difcil hacerse una imagen visual del tamao, pero para tener una idea, si la distancia que hay entre el Sol y la Tierra fuera de un metro, un nanmetro sera lo que ocupara una cancha de ftbol.

La escala nanomtrica tiene que ver con las partes ms diminutas de la materia que se pueden manipular. Operar a esa escala facilita el ensamblaje de tomos y molculas segn especificaciones exactas. Podramos imaginar que la creacin de nuevos materiales o la modificacin de los existentes se parecen un poco al armado de estructuras con los bloques Lego. En aplicaciones como la filtracin de aguas, esto significa que los materiales se pueden hacer a la medida o ajustar para que sean capaces de filtrar metales pesados y toxinas biolgicas.

Los materiales trabajados a escala nanomtrica suelen tener propiedades pticas o elctricas distintas a los mismos materiales manipulados a escala micro o macro. Por ejemplo, el nano xido de titanio es un catalizador ms eficaz que el xido de titanio fabricado a escala micro, y puede ser utilizado en el tratamiento de aguas para degradar contaminantes orgnicos. Sin embargo, en otros casos, el reducido tamao de las nanopartculas hace que el material sea ms txico de lo normal.

Las nanotecnologas podran paliar los problemas del agua si resuelven los retos tcnicos que presenta la remocin de contaminantes como bacterias, virus, arsnico, mercurio, pesticidas y sal.

Muchos investigadores e ingenieros sostienen que las nanotecnologas ofrecen alternativas ms econmicas, eficaces, eficientes y duraderas, en particular porque el uso de nanopartculas para el tratamiento de aguas permitir que los procesos de fabricacin contaminen menos en comparacin con los mtodos tradicionales y porque se necesita menos mano de obra, capital, tierra y energa. [4]

Lo mismo se deca de las nuevas tecnologas en el pasado. Pero si furamos capaces de desarrollar nuevos modelos de negocio que nos permitieran emplear las nanotecnologas de forma sostenible para resolver problemas reales, identificados en conjunto con las comunidades locales, tendramos razones para ser optimistas. [5]

En qu va la historia?

Una serie de dispositivos para el tratamiento de aguas que incorporan adelantos nanotecnolgicos ya se encuentran en el mercado; otros estn prximos a su lanzamiento o en proceso de desarrollo.

Las membranas de nanofiltracin ya son de uso habitual para la eliminacin de sales disueltas y microcontaminantes, el ablandamiento del agua y la depuracin de aguas residuales. Las membranas actan como una barrera fsica, capturando partculas y microorganismos ms grandes que sus poros, y rechazando sustancias de manera selectiva. Se espera que la nanotecnologa siga mejorando esta tecnologa con membranas y permita reducir los prohibitivos costos que tienen los procesos de desalinizacin (obtener agua dulce a partir del agua salada).

Los investigadores desarrollan nuevos tipos de materiales nanoporosos, ms eficaces que los filtros convencionales. Por ejemplo, un estudio realizado en Sudfrica demostr que las membranas de nanofiltracin pueden generar agua potable a partir de agua subterrnea salobre. [6] Y un equipo de cientficos de India y EE. UU. desarroll filtros hechos con nanotubos de carbono que tienen el poder de eliminar bacterias y virus con ms eficacia que las membranas de filtracin convencionales. [7]

Las arcillas de attapulguita y las zeolitas naturales tambin se utilizan en los nanofiltros. Se hallan en numerosos lugares del mundo y cuentan con poros de proporciones nanomtricas naturales. Un estudio del uso de las membranas de arcilla de attapulguita para filtrar aguas residuales procedentes de una central lechera en Argelia demostr que son capaces de reducir el suero y otros materiales orgnicos presentes en las aguas residuales de manera eficaz y econmica, volvindola apta para consumo. [8]

Las zeolitas tambin se fabrican, y se pueden usar para separar sustancias orgnicas perjudiciales del agua y eliminar iones de metales pesados. Investigadores de la Organizacin de Investigacin Cientfica e Industrial de la Commonwealth, en Australia, han creado una arcilla sinttica de bajo costo, llamada hidrotalcita, que atrae el arsnico y lo elimina del agua. [9] Han ideado un novedoso empaque para el producto, destinado a comunidades de bajos ingresos: una 'bolsita de t' que se puede sumergir en los dispositivos de agua domsticos durante unos 15 minutos, antes de beber el lquido. Y la compra de las bolsitas usadas por parte de las autoridades podra incentivar el reciclado y contribuir a la eliminacin del arsnico concentrado.

Catalizadores, imanes y detectores nano

Los nanocatalizadores y las nanopartculas magnticas son otros ejemplos de cmo la nanotecnologa podra transformar el agua muy contaminada en agua apta para consumo, saneamiento y riego. Los nanocatalizadores deben sus mejores propiedades catalticas a su diminuto tamao o al hecho de ser modificados a escala nanomtrica. Pueden degradar los contaminantes qumicamente, incluso aquellos que no sepueden tratar con las tecnologas actuales o cuyo tratamiento sera demasiado costoso, sin tener que desplazarlos de un lugar a otro. Investigadores del Instituto Indio de Ciencias de Bangalore han utilizado el nano dixido de titanio precisamente para este fin (vase 'Tratamiento nano del agua exige ingeniera innovadora').

Las nanopartculas magnticas ocupan grandes superficies en proporcin a su volumen y se unen con facilidad a sustancias qumicas. En las aplicaciones destinadas al tratamiento de aguas, pueden utilizarse para unirse a contaminantes como el arsnico o el petrleo y luego ser eliminadas mediante un imn. Varias empresas comercializan este tipo de tecnologas y los cientficos publican a menudo nuevos descubrimientos en el rea.

Por ejemplo, cientficos de la Universidad de Rice, de Estados Unidos, emplean nano xido para eliminar el arsnico del agua potable. [10] La amplia superficie del nano xido permite capturar cien veces ms arsnico que si se emplea xido manipulado a una escala mayor. El equipo prev que una dosis de entre 200 y 500 miligramos de nano xido alcanza para tratar un litro de agua. Desarrolla actualmente una manera de crear nano xido a partir de artculos baratos de las casas, con lo que reduciran de forma considerable los costos de produccin, convirtindolo en producto viable para distintas comunidades del mundo en desarrollo.

Adems de servir para tratar el agua, la nanotecnologa es capaz de detectar contaminantes transportados por ella. Los investigadores desarrollan nuevas tecnologas de sensores que combinan la micro y la nanofabricacin para la creacin de sensores pequeos, porttiles y ultraprecisos, que pueden detectar en el agua clulas individuales de determinadas sustancias qumicas y bioqumicas. [11] Varios consorcios de investigacin estn realizando ensayos de campo con estos dispositivos y algunos esperan comercializarlos pronto. Por ejemplo, un equipo de la Universidad del Estado de Pensilvania, en los Estados Unidos, ha desarrollado una forma de detectar arsnico en el agua a travs de nanoalambres colocados en un chip de silicio. [12]

La investigacin nano en el mundo en desarrollo

La inversin en nanotecnologa en regiones desarrolladas como Europa y Estados Unidos es muy alta dado que los gobiernos siguen dando prioridad a las tecnologas que, desde su punto de vista, apuntalarn el crecimiento econmico. Y algunos pases que se encuentran en una situacin intermedia, como China, tambin realizan grandes inversiones en el rea (ver Grfica 1).

Sudfrica ha desarrollado capacidades nanotecnolgicas importantes gracias a la Estrategia Nacional de Nanotecnologa, que lanz en 2006. [15] Por ejemplo, ha creado centros de innovacin para la nanociencia en dos de los consejos cientficos del pas. Uno de ellos trabaja en el uso de lananotecnologa para tratar el agua. En este caso, el principal inters es resolver problemas locales. La Universidad de Stellenbosch, por ejemplo, estudia las nanomembranas para la filtracin de agua.

India tambin ha invertido mucho en nanotecnologa, aunque las cifras son difciles de comprobar, en parte porque la inversin a menudo proviene de alianzas entre el gobierno y el sector privado.

Otros pases en desarrollo perciben cada vez con mayor claridad la necesidad de apoyar la nanociencia, incluida la investigacin sobre cmo puede ayudar la nanotecnologa a llevar agua limpia a la poblacin. Brasil, Cuba, Arabia Saudita y Sri Lanka, tienen todos centros nanotecnolgicos que trabajan en el tema. Y el nmero de solicitudes de patentes para invenciones en nanotecnologa presentadas por investigadores de pases en desarrollo aumenta rapidamente.

Desarrollos para el mundo en desarrollo

Algunos productos interesantes estn surgiendo en los pases en desarrollo, y otros, diseados en diferentes lugares, son de gran relevancia para las necesidades del Sur (ver Tabla 2).

Combinan polmeros y nanopartculas de vidrio que se pueden estampar en superficies como las telas para absorber agua

La captacin del agua lluvia es cada vez ms importante en pases como China, Nepal y Tailandia. La nanoesponja es mucho ms eficiente que las tradicionales redes de recoleccin de agua de niebla

Instituto Tecnolgico de Massachusetts, (EE. UU.)

Las nanopartculas magnticas de xido de hierro suspendidas en agua se unen al arsnico, que luego se quita con un imn

En India, Bangladesh y otros pases en desarrollo se producen miles de casos de intoxicacin por arsnico al ao, asociados a pozos envenenados.

Membranas desalinizadoras

Combinacin de polmeros y nanopartculas que atrae iones de agua y repele sales disueltas

Ya disponible en el mercado, la membrana permite desalinizar con menores costos energticos que la smosis inversa

Universidad de California, Los ngeles y NanoH2O

Membranas de nanofiltracin

Membrana hecha de polmeros con poros de entre 0,1 y 10nm

Super ensayos de campo para tratar agua potable en China y desalinizarla en Irn. Requiere menos energa que la smosis inversa

Saehan Industries

(Corea)

Tubo con nanomalla

Dispositivo de filtracin semejante a una pajita, hecha con nanotubos de carbono colocados sobre un material poroso y flexible

La pajita o pitillo- limpia el agua a medida que se bebe. Mdicos de frica usan un prototipo y el producto final estar disponible a precio mdico en pases en desarrollo.

Filtro que usa una lmina de nanofribra hecha a base de polmeros, resinas, cermica y otros materiales, capaz de eliminar contaminantes

Diseado especialmente para uso domstico o comunitario en pases en desarrollo. Es eficaz, fcil de usar y no requiere mantenimiento

Filtro que emplea nanoplata para la adsorcin y degradacin de tres pesticidas comnmente hallados en fuentes de abastecimiento de agua de la India

Es frecuente encontrar pesticidas en las fuentes de agua de pases en desarrollo. El filtro podra proveer 6.000 litros de agua limpia al ao a un hogar tipo de la India

Instituto Indio de Technologa de Chennai y Eureka Forbes Limited (ambos en India)

Riesgos y oportunidades

Todo intento de evaluar potenciales mercados para la nanotecnologa aplicada al tratamiento del agua debe contemplar tanto los riesgos como las oportunidades.

Algunos investigadores plantean que los estudios centrados en las implicaciones ticas, jurdicas y sociales de la nanotecnologa registran un gran retraso. [20] Sealan las pocas veces que se citan estos temas en la literatura cientfica y el hecho de que, al menos en Estados Unidos, no se usan todos los fondos disponibles para este tipo de investigacin. Por ejemplo, la Iniciativa Nacional de Nanotecnologa de Estados Unidos asign entre US$ 16 y 28 millones al estudio de las grandes implicaciones sociales de la nanotecnologa, pero ha gastado menos de la mitad de lo presupuestado.

La menor capacidad cientfica que suelen tener los pases en desarrollo probablemente significar que en estos pases la regulacin eficaz de los aspectos ticos y de los riesgos asociados a las nanotecnologas ir por detrs del mundo desarrollado. Sin embargo, hay indicios de que se estn abordando las cuestiones ticas del uso de la nanotecnologa para obtener agua limpia.

Algunos investigadores exigen ms investigacin sobre los posibles riesgos ambientales y para la salud del uso de la nanotecnologa para el tratamiento de aguas. [6] Por ejemplo, preocupa que la mayor reactividad de las nanopartculas las vuelva ms txicas. Su reducido tamao tambin implicara que son difciles de retener, y que se podran dispersar ms fcilmente en el aire y daar la vida acutica. Todava se desconocen todos los efectos de la exposicin a los nanomateriales, desde su manipulacin en plantas de tratamiento hasta su consumo a travs del agua tratada.

Pero se puede hacer una distincin, en trminos de evaluacin del riesgo, entre nanopartculas activas y pasivas. Las pasivas, como las que se usan para revestir un material, no presentaran ni ms ni menos riesgo que otros procesos de fabricacin. [21] En cambio, las activas, que pueden dispersarse en el ambiente, implicaran riesgos asociados a su control y contencin.

Entonces, pueden las nanotecnologas resolver realmente los problemas del agua de los pases en desarrollo? Hay dos seales positivas de que as ser. En primer lugar, los profesionales y cientficos que se ocupan del tema del agua involucran cada vez ms a las comunidades locales en dilogos efectivos para la comprensin de los problemas y las oportunidades, derivados del uso de la nanotecnologa aplicada al mejoramiento del agua.

En segundo lugar, puesto que la comercializacin de la nanotecnologa an est dando sus primeros pasos, podemos esperar que el dilogo entre los investigadores, las comunidades y la industria aliente a cientficos y empresarios a desarrollar modelos de negocio adecuados para el aprovechamiento de sus invenciones.

David J. Grimshaw es responsable del programa internacional de nuevas tecnologas de Accin Prctica, y consultor en nuevas tecnologas de SciDev.Net.

Referencias

[1] Prüss-Üstün, A., Bos, R., Gore, F. et al. Safer water, better health: Costs, benefits and sustainability of interventions to protect and promote health..WHO, Geneva (2008)

[2] The Millennium Development Goals and water. World Water Assessment Programme

[3] The Royal Society and The Royal Academy of Engineering. Nanoscience and Nanotechnologies: Opportunities and Uncertainties. Royal Society (2004)

[4] Nanotechnology, commodities and development. Meridian Institute background paper (2007)

[5] Grimshaw, D.J., Gudza, L.D. and Stilgoe, J. How can nanotechnologies fulfill the needs of developing countries? In: Savage, N., Diallo, M., Duncan, J. et al (eds.) Nanotechnology Applications for Clean Water. William Andrew: Norwich NY (2009)

[6] Hillie, T. and Hlophe,M. Nanotechnology and the challenge of clean water. Nature Nanotechnology 2 (2007)

[7] Efficient filters produced from carbon nanotubes through Rensselaer Polytechnic Institute-Banaras Hindu University collaborative research. Rensselaer (2004)

[8] Khider, K., Akretche, D.E. and Larbot, A. Purification of water effluent from a milk factory by ultrafiltration using Algerian clay support. Desalination 167 (2004)

[9] Gillman, G.P. A simple technology for arsenic removal from drinking water using hydrotalcite. Science of the Total Environment 336 (2006)

[10] Yavuz, C.T., Mayo, J.T., Yu, W.W. et al. Low-field magnetic separation of monodisperse Fe3O4 nanocrystals. Science 10 (2006)

[11] Hille, T., Munasinghe, M., Hlope, M. et al. Nanotechnology, water and development. Meridian Institute (2006)

[12] Patel, P. Nanosensors made easy. Technology Review (2009)

[13] US National Nanotechnology Initiative

[14] Claassens, C.H. Nanotechnology in South Africa. Nano 7 (2008)

[15] The National Nanotechnology Strategy. Department of Science and Technology, South Africa

[16] Nanotechnology pesticide filter debuts in India. Nanowerk (2007)

[17] Brown, S. Water, water everywhere. ScienceNOW Daily News (2006)

[18] Abraham, M. Today's seawater is tomorrow's drinking water: UCLA engineers develop revolutionary nanotech water desalination membrane. UCLA Newsroom (2006)

[19] Overview and comparison of conventional water treatment technologies and nano-based treatment technologies. Meridian Institute. (2006)

[20] Mnyusiwalla, A., Daar, A.S. and Singer, P.A. Mind the gap: science and ethics in nanotechnology. Nanotechnology 14 (2003)

[21] French, A. Nanotechnology: New Opportunities, New Risks. B 6 The Benfield Group (2004)

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