Una estera de polímero desarrollada en la Universidad de Rice tiene la capacidad de pescar contaminantes biológicamente dañinos del agua a través de una estrategia conocida como "cebo, engancha y destruye ".

Las pruebas con aguas residuales mostraron que la alfombra puede eliminar de manera eficiente los contaminantes específicos, en este caso, un par de disruptores endocrinos biológicamente dañinos, utilizando una fracción de la energía requerida por otra tecnología. La técnica también se puede utilizar para tratar el agua potable.

La alfombra fue desarrollada por científicos del Centro de tratamiento de agua habilitado por nanotecnología (NEWT) dirigido por Rice. La investigación está disponible en línea en la revista American Chemical Society. Ciencia y Tecnología Ambiental .

La alfombra depende de la capacidad de un material común, dióxido de titanio, para capturar contaminantes y, al exponerse a la luz, degradarlos a través de la oxidación en subproductos inofensivos.

El dióxido de titanio ya se utiliza en algunos sistemas de tratamiento de aguas residuales. Por lo general, se convierte en una lechada, combinado con aguas residuales y expuesto a luz ultravioleta para destruir contaminantes. A continuación, la lechada debe filtrarse del agua.

La alfombra NEWT simplifica el proceso. La alfombra está hecha de fibras de polivinilo hiladas. Los investigadores lo hicieron muy poroso agregando pequeñas perlas de plástico que luego se disolvieron con productos químicos. Los poros ofrecen una gran superficie para que las partículas de óxido de titanio habiten y esperen a sus presas.

Las fibras hidrofóbicas (que evitan el agua) del tapete atraen naturalmente contaminantes hidrofóbicos como los disruptores endocrinos utilizados en las pruebas. Una vez atado a la alfombra, la exposición a la luz activa el dióxido de titanio fotocatalítico, que produce especies reactivas de oxígeno (ROS) que destruyen los contaminantes.

Establecido por la National Science Foundation en 2015, NEWT es un centro de investigación nacional que tiene como objetivo desarrollar compactos, móvil, sistemas de tratamiento de agua fuera de la red que pueden proporcionar agua limpia a millones de personas que carecen de ella y hacer que la producción de energía en los EE. UU. sea más sostenible y rentable.

Los investigadores de NEWT dijeron que su tapete se puede limpiar y reutilizar, escalado a cualquier tamaño, y su química se puede ajustar para varios contaminantes.

"El tratamiento fotocatalítico actual adolece de dos limitaciones, ", dijo el ingeniero ambiental de Rice y director del Centro NEWT, Pedro Alvarez." Una es la ineficiencia porque los oxidantes producidos son eliminados por cosas que son mucho más abundantes que el contaminante objetivo, para que no destruyan el contaminante.

"Segundo, Cuesta mucho dinero retener y separar los fotocatalizadores de la lechada y evitar que se filtren al agua tratada, ", dijo." En algunos casos, el costo de energía de filtrar esa lechada es más de lo que se necesita para encender las luces ultravioleta.

"Resolvimos ambas limitaciones inmovilizando el catalizador para que sea muy fácil de reutilizar y retener, "Dijo Álvarez." No permitimos que se filtre fuera de la estera e impacte el agua ".

Álvarez dijo que la estera de polímero poroso juega un papel importante porque atrae a los contaminantes objetivo. "Ese es el cebo y el anzuelo, ", dijo." Entonces el fotocatalizador destruye el contaminante produciendo radicales hidroxilo ".

"Los poros a nanoescala se introducen disolviendo un polímero de sacrificio en las fibras electrohiladas, Chang-Gu Lee, autor principal y ex investigador postdoctoral de Rice, dijo:"Los poros mejoran el acceso de los contaminantes al dióxido de titanio".

Los experimentos mostraron una drástica reducción de energía en comparación con el tratamiento de aguas residuales con purines.

"No solo destruimos los contaminantes más rápido, pero también disminuimos significativamente nuestra energía eléctrica por orden de reacción, "Dijo Álvarez." Esta es una medida de cuánta energía se necesita para eliminar un orden de magnitud del contaminante, cuántos kilovatios hora necesita eliminar el 90 por ciento, el 99 por ciento o el 99,9 por ciento.

"Mostramos que para la lechada, a medida que pasa del tratamiento del agua destilada al efluente de la planta de tratamiento de aguas residuales, la cantidad de energía requerida aumenta 11 veces. Pero cuando haces esto con nuestro fotocatalizador de cebo y anzuelo inmovilizado, el aumento comparable es solo del doble. Es un ahorro significativo ".

La alfombra también permitiría a las plantas de tratamiento realizar la eliminación y destrucción de contaminantes en dos pasos discretos, que no es posible con la lechada, Dijo Álvarez. "Puede ser deseable hacer eso si el agua está turbia y la penetración de la luz es un desafío. Puede pescar los contaminantes adsorbidos por la estera y transferirlos a otro reactor con agua más clara. Allí, puedes destruir los contaminantes, limpie el tapete y luego devuélvalo para que pueda pescar más ".

Ajustar la alfombra implicaría cambiar sus propiedades hidrofóbicas o hidrofílicas para que coincida con los contaminantes objetivo. "De esa forma, podría tratar más agua con un reactor más pequeño y más selectivo, y por tanto, miniaturizar estos reactores y reducir su huella de carbono, ", dijo." Es una oportunidad no solo para reducir los requisitos de energía, pero también los requisitos de espacio para el tratamiento fotocatalítico del agua ".

Álvarez dijo que la colaboración de los socios de investigación de NEWT ayudó a que el proyecto se concretara en cuestión de meses. "NEWT nos permitió hacer algo que por separado hubiera sido muy difícil de lograr en este corto período de tiempo, " él dijo.

"Creo que el tapete mejorará significativamente el menú del que seleccionamos soluciones para nuestros desafíos de purificación de agua, "Dijo Álvarez.