Dirigir, arsénico, y otros metales pesados ​​están cada vez más presentes en los sistemas de agua de todo el mundo debido a las actividades humanas, como el uso de pesticidas y, más recientemente, la eliminación inadecuada de residuos electrónicos. Exposición crónica a niveles incluso traza de estos contaminantes, a concentraciones de partes por billón, puede causar condiciones de salud debilitantes en mujeres embarazadas, niños, y otras poblaciones vulnerables.

Monitorear el agua en busca de metales pesados ​​es una tarea formidable, sin embargo, particularmente para regiones con recursos limitados donde los trabajadores deben recolectar muchos litros de agua y preservar químicamente las muestras antes de transportarlas a laboratorios distantes para su análisis.

Para simplificar el proceso de seguimiento, Los investigadores del MIT han desarrollado un enfoque llamado SEPSTAT, para extracción en fase sólida, preservación, almacenamiento, transporte, y análisis de trazas de contaminantes. El método se basa en una pequeña, dispositivo fácil de usar que el equipo desarrolló, que absorbe trazas de contaminantes en el agua y las conserva en un estado seco para que las muestras se puedan dejar caer fácilmente por correo y enviar a un laboratorio para su posterior análisis.

El dispositivo se asemeja a un pequeño hélice flexible, o batir, que cabe dentro de una botella de muestreo típica. Cuando se gira dentro de la botella durante varios minutos, el instrumento puede absorber la mayoría de los rastros de contaminantes en la muestra de agua. Un usuario puede secar al aire el dispositivo o secarlo con un trozo de papel, luego aplánelo y envíelo en un sobre a un laboratorio, donde los científicos pueden sumergirlo en una solución de ácido para eliminar los contaminantes y recolectarlos para su posterior análisis en el laboratorio.

"Inicialmente diseñamos esto para su uso en India, pero me ha enseñado mucho sobre nuestros propios problemas con el agua y trazas de contaminantes en los Estados Unidos, "dice la diseñadora de dispositivos Emily Hanhauser, estudiante de posgrado en el Departamento de Ingeniería Mecánica del MIT. "Por ejemplo, alguien que ha oído hablar de la crisis del agua en Flint, Michigan, que ahora quiere saber qué hay en su agua, algún día podría pedir algo como esto en línea, hacer la prueba ellos mismos, y enviarlo a un laboratorio ".

Hanhauser y sus colegas publicaron recientemente sus resultados en la revista Ciencia y Tecnología Ambiental . Sus coautores del MIT son Chintan Vaishnav del Tata Center for Technology and Design y MIT Sloan School of Management; John Hart, profesor asociado de ingeniería mecánica; y Rohit Karnik, profesor de ingeniería mecánica y director asociado del departamento de educación, junto con Michael Bono de la Universidad de Boston.

De bolsitas de té a batidores

El equipo originalmente se propuso comprender la infraestructura de monitoreo del agua en India. Los trabajadores recogen millones de muestras de agua en los laboratorios locales de todo el país, que están equipados para realizar análisis básicos de la calidad del agua. Sin embargo, analizar trazas de contaminantes, Los trabajadores de estos laboratorios locales deben conservar químicamente un gran número de muestras de agua y transportar los recipientes. a menudo a lo largo de cientos de kilómetros, a las capitales de los estados, donde los laboratorios centralizados tienen instalaciones para analizar adecuadamente los rastros de contaminantes.

"Si recolecta muchas de estas muestras y trata de llevarlas a un laboratorio, es un trabajo bastante oneroso, y existe una barrera de transporte importante, "Dice Hanhauser.

Al buscar optimizar la logística del monitoreo del agua, ella y sus colegas se preguntaron si podrían evitar la necesidad de transportar el agua, y en su lugar transportan los contaminantes por sí mismos, en estado seco.

Eventualmente encontraron inspiración en las manchas de sangre seca, una técnica sencilla que consiste en pinchar el dedo de una persona y recoger una gota de sangre en una tarjeta de celulosa. Cuando se seca, los productos químicos en la sangre son estables y se conservan, y las tarjetas se pueden enviar por correo para un análisis más detallado, evitando la necesidad de conservar y enviar grandes volúmenes de sangre.

El equipo comenzó a pensar en un sistema de recolección similar para metales pesados, y busqué en la literatura materiales que pudieran absorber trazas de contaminantes del agua y mantenerlos estables cuando se secan.

Finalmente se decidieron por resinas de intercambio iónico, una clase de material que se presenta en forma de pequeñas perlas de polímero, varios cientos de micrones de ancho. Estas perlas contienen grupos de moléculas unidas a un ion hidrógeno. Cuando se sumerge en agua, el hidrógeno se desprende y se puede intercambiar con otro ion, como un catión de metal pesado, que ocupa el lugar del hidrógeno en la perla. De este modo, las perlas pueden absorber metales pesados ​​y otros rastros de contaminantes del agua.

Luego, los investigadores buscaron formas de sumergir las perlas en agua, y primero consideró un diseño similar a una bolsita de té. Llenaron un bolsillo con forma de malla con cuentas y lo sumergieron en agua que añadieron metales pesados. Ellos encontraron, aunque, que las perlas tardaron días en absorber adecuadamente los contaminantes si simplemente dejaban la bolsita de té en el agua. Cuando revolvieron la bolsita de té, la turbulencia aceleró un poco el proceso, pero todavía tomó demasiado tiempo para las cuentas, empaquetado en una bolsita de té grande, para absorber los contaminantes.

Por último, Hanhauser descubrió que un diseño de agitación manual funcionaba mejor para absorber los contaminantes metálicos en el agua en un período de tiempo razonable. El dispositivo está hecho de una malla de polímero cortada en varios paneles con forma de hélice. Dentro de cada panel, Pequeños bolsillos cosidos a mano de Hanhauser, que ella llenó con perlas de polímero. Luego cosió cada panel alrededor de una varilla de polímero para que pareciera una especie de batidor de huevos.

Probando las aguas

Los investigadores fabricaron varios de los dispositivos, luego los probó en muestras de agua natural recolectadas en Boston, incluidos los ríos Charles y Mystic. Ellos enriquecieron las muestras con varios contaminantes de metales pesados, como el plomo, cobre, níquel, y cadmio, luego metió un dispositivo en la botella de cada muestra, y lo hizo girar a mano para atrapar y absorber los contaminantes. Luego colocaron los dispositivos en una encimera para que se sequen durante la noche.

Para recuperar los contaminantes del dispositivo, sumergieron el dispositivo en ácido clorhídrico. El hidrógeno en la solución elimina efectivamente los iones adheridos a las perlas de polímero, incluidos los metales pesados, que luego se pueden recolectar y analizar con instrumentos como espectrómetros de masas.

Los investigadores encontraron que al agitar el dispositivo en la muestra de agua, el dispositivo pudo absorber y preservar aproximadamente el 94 por ciento de los contaminantes metálicos en cada muestra. En sus recientes juicios, descubrieron que aún podían detectar los contaminantes y predecir sus concentraciones en las muestras de agua originales, con un rango de precisión del 10 al 20 por ciento, incluso después de almacenar el dispositivo en un estado seco durante un máximo de dos años.

Con un costo de menos de $ 2, los investigadores creen que el dispositivo podría facilitar el transporte de muestras a laboratorios centralizados, recogida y conservación de muestras para análisis futuros, y adquisición de datos sobre la calidad del agua de manera centralizada, cuales, Sucesivamente, podría ayudar a identificar fuentes de contaminación, guiar políticas, y permitir una mejor gestión de la calidad del agua.