Los ingenieros del Centro de tratamiento de agua habilitado por nanotecnología (NEWT) de la Universidad de Rice han encontrado un catalizador que limpia los nitratos tóxicos del agua potable convirtiéndolos en aire y agua.

La investigación está disponible en línea en la revista American Chemical Society. Catálisis ACS .

"Los nitratos provienen principalmente de la escorrentía agrícola, que afecta a las comunidades agrícolas de todo el mundo, "dijo el ingeniero químico de Rice, Michael Wong, el científico principal del estudio. "Los nitratos son tanto un problema ambiental como un problema de salud porque son tóxicos. Hay filtros de intercambio iónico que pueden eliminarlos del agua, pero estos deben enjuagarse cada pocos meses para reutilizarlos, y cuando eso suceda, el agua enjuagada simplemente devuelve una dosis concentrada de nitratos al suministro de agua ".

El laboratorio de Wong se especializa en el desarrollo de catalizadores basados ​​en nanopartículas, trozos de metal submicroscópicos que aceleran las reacciones químicas. En 2013, su grupo demostró que pequeñas esferas de oro salpicadas de motas de paladio podían romper los nitritos, los primos químicos más tóxicos de los nitratos.

"Los nitratos son moléculas que tienen un átomo de nitrógeno y tres átomos de oxígeno, "Explicó Wong." Los nitratos se convierten en nitritos si pierden oxígeno, pero los nitritos son incluso más tóxicos que los nitratos, por lo que no quiere dejar de usar nitritos. Es más, los nitratos son el problema más frecuente.

"Por último, la mejor manera de eliminar los nitratos es un proceso catalítico que los descompone completamente en nitrógeno y oxígeno, o en nuestro caso, nitrógeno y agua porque añadimos un poco de hidrógeno, ", dijo." Más del 75 por ciento de la atmósfera de la Tierra es nitrógeno gaseoso, así que realmente estamos convirtiendo los nitratos en aire y agua ".

Los nitratos son tóxicos para los bebés y las mujeres embarazadas y también pueden ser cancerígenos. La contaminación por nitratos es común en las comunidades agrícolas, especialmente en el cinturón de maíz de EE. UU. y el Valle Central de California, donde los fertilizantes se utilizan mucho, y algunos estudios han demostrado que la contaminación por nitratos está aumentando debido a los cambios en los patrones de uso de la tierra.

Tanto los nitratos como los nitritos están regulados por la Agencia de Protección Ambiental, que establece límites permitidos para el agua potable. En comunidades con pozos y lagos contaminados, Eso normalmente significa pretratar el agua potable con resinas de intercambio iónico que atrapan y eliminan nitratos y nitritos sin destruirlos.

De su trabajo anterior, El equipo de Wong sabía que las nanopartículas de oro y paladio no eran buenos catalizadores para romper los nitratos. Coautor Kim Heck, un científico investigador en el laboratorio de Wong, dijo que una búsqueda de literatura científica publicada arrojó otra posibilidad:indio y paladio.

"Pudimos optimizar eso, y descubrimos que cubrir alrededor del 40 por ciento de la superficie de una esfera de paladio con indio nos dio nuestro catalizador más activo, "Dijo Heck." Fue aproximadamente un 50 por ciento más eficiente que cualquier otra cosa que encontramos en estudios publicados anteriormente. Podríamos habernos detenido allí pero estábamos realmente interesados ​​en comprender por qué era mejor y para eso tuvimos que explorar la química detrás de esta reacción ".

En colaboración con los colegas de ingeniería química Jeffrey Miller de la Universidad de Purdue y Lars Grabow de la Universidad de Houston, el equipo de Rice descubrió que el indio acelera la descomposición de los nitratos, mientras que el paladio aparentemente evita que el indio se oxide permanentemente.

"Al indio le gusta que se oxide, "Dijo Heck." De nuestros estudios in situ, Descubrimos que al exponer los catalizadores a soluciones que contenían nitrato, el indio se oxidaba. Pero cuando agregamos agua saturada de hidrógeno, el paladio provocó que parte de ese oxígeno se uniera con el hidrógeno y formara agua, y eso resultó en que el indio permaneciera en un estado reducido donde es libre de romper más nitratos ".

Wong dijo que su equipo trabajará con socios industriales y otros investigadores para convertir el proceso en un sistema de tratamiento de agua comercialmente viable.

"Ahí es donde entra NEWT, ", dijo." NEWT se trata de tomar descubrimientos científicos básicos y desplegarlos en condiciones del mundo real. Este será un ejemplo dentro de NEWT donde tenemos la química resuelta, y el siguiente paso es crear un sistema de flujo para mostrar una prueba de concepto de que la tecnología se puede utilizar en el campo ".

NEWT es un centro de investigación de ingeniería multiinstitucional con sede en Rice que fue establecido por la National Science Foundation en 2015 para desarrollar compactos, móvil, sistemas de tratamiento de agua fuera de la red que pueden proporcionar agua limpia a millones de personas y hacer que la producción de energía en los EE. UU. sea más sostenible y rentable. Se espera que NEWT aproveche más de $ 40 millones en apoyo federal e industrial para 2025 y se centra en aplicaciones para respuesta de emergencia humanitaria. sistemas de agua rurales y tratamiento y reutilización de aguas residuales en sitios remotos, incluyendo plataformas de perforación en tierra y en alta mar para la exploración de petróleo y gas.