Universidad de California, Berkeley, Los químicos han descubierto una forma de simplificar la eliminación de metales tóxicos. como mercurio y boro. durante la desalinización para producir agua limpia, mientras que al mismo tiempo captura potencialmente metales valiosos, como el oro.

La desalinización, la eliminación de la sal, es solo un paso en el proceso de producción de agua potable, o agua para la agricultura o la industria, del océano o de aguas residuales. Ya sea antes o después de la eliminación de la sal, el agua a menudo debe tratarse para eliminar el boro, que es tóxico para las plantas, y metales pesados ​​como arsénico y mercurio, que son tóxicos para los humanos. A menudo, el proceso deja una salmuera tóxica que puede ser difícil de eliminar.

La nueva técnica, que se puede agregar fácilmente a los procesos actuales de desalinización por electrodiálisis basados ​​en membranas, elimina casi el 100% de estos metales tóxicos, produciendo una salmuera pura junto con agua pura y aislando los metales valiosos para su posterior uso o eliminación.

"Las plantas de desalinización o tratamiento de agua suelen requerir una larga serie de sistemas de pre y postratamiento por los que debe pasar toda el agua, uno a uno, "dijo Adam Uliana, un estudiante graduado de UC Berkeley que es el primer autor de un artículo que describe la tecnología. "Pero aquí, tenemos la capacidad de realizar varios de estos pasos en uno, que es un proceso más eficiente. Básicamente, podría implementarlo en configuraciones existentes ".

Los químicos de UC Berkeley sintetizaron membranas poliméricas flexibles, como los que se utilizan actualmente en los procesos de separación por membranas, pero nanopartículas incrustadas que se pueden ajustar para absorber iones metálicos específicos:iones de oro o uranio, por ejemplo. La membrana puede incorporar un solo tipo de nanopartícula sintonizada, si se va a recuperar el metal, o varios tipos diferentes, cada uno sintonizado para absorber un metal o compuesto iónico diferente, si es necesario eliminar varios contaminantes en un solo paso.

La membrana de polímero entrelazada con nanopartículas es muy estable en agua y a altas temperaturas, lo que no es cierto para muchos otros tipos de absorbentes, incluyendo la mayoría de los marcos organometálicos (MOF), cuando está incrustado en membranas.

Los investigadores esperan poder ajustar las nanopartículas para eliminar otros tipos de sustancias químicas tóxicas, incluyendo un contaminante común del agua subterránea:PFAS, o sustancias polifluoroalquilo, que se encuentran en los plásticos. El nuevo proceso, que ellos llaman electrodiálisis por captura de iones, también podría eliminar los isótopos radiactivos de los efluentes de las centrales nucleares.

En su estudio, que se publicará esta semana en la revista Ciencias , Uliana y el autor principal Jeffrey Long, Profesor de química de UC Berkeley, demostrar que las membranas de polímero son altamente efectivas cuando se incorporan en sistemas de electrodiálisis basados ​​en membranas, donde un voltaje eléctrico impulsa iones a través de la membrana para eliminar la sal y los metales, y la diálisis por difusión, que se utiliza principalmente en el procesamiento químico.

"La electrodiálisis es un método conocido para realizar la desalinización, y aquí lo estamos haciendo de una manera que incorpora estas nuevas partículas en el material de la membrana y captura iones tóxicos específicos o solutos neutros, como el boro, "Long dijo". mientras conduce iones a través de esta membrana, también está descontaminando el agua para, decir, mercurio. Pero estas membranas también pueden ser muy selectivas para eliminar otros metales, como el cobre y el hierro, a gran capacidad ".

La escasez mundial de agua requiere la reutilización de las aguas residuales

La escasez de agua se está convirtiendo en algo común en todo el mundo, incluso en California y el oeste americano, exacerbado por el cambio climático y el crecimiento de la población. Las comunidades costeras están instalando cada vez más plantas para desalinizar el agua del océano, pero comunidades del interior, también, están buscando formas de convertir las fuentes contaminadas:aguas subterráneas, escorrentías agrícolas y desechos industriales, en productos limpios, agua potable para cultivos, hogares y fábricas.

Si bien la ósmosis inversa y la electrodiálisis funcionan bien para eliminar la sal de las fuentes de agua de alta salinidad, como el agua de mar, la salmuera concentrada que queda puede tener altos niveles de metales, incluido el cadmio, cromo, mercurio, dirigir, cobre, zinc, oro y uranio.

Pero el océano está cada vez más contaminado por la escorrentía industrial y agrícola, y fuentes del interior aún más.

"Esto sería especialmente útil para aquellas áreas que tienen niveles bajos de contaminantes que aún son tóxicos en estos niveles bajos, así como diferentes sitios de aguas residuales que tienen muchos tipos de iones tóxicos en sus corrientes, "Dijo Long.

La mayoría de los procesos de desalinización eliminan la sal, que existe principalmente como iones de sodio y cloro en el agua, mediante una membrana de ósmosis inversa. que deja pasar el agua, pero no iones, o un polímero de intercambio iónico, que permite el paso de iones, pero no agua. La nueva tecnología simplemente agrega nanopartículas porosas, cada uno de unos 200 nanómetros de diámetro, que capturan iones específicos mientras permiten que el sodio, cloro y otras moléculas cargadas no dirigidas a pasar.

Long diseña y estudia materiales porosos que pueden decorarse con moléculas únicas que capturan compuestos específicos de corrientes de líquido o gas:dióxido de carbono de las emisiones de las centrales eléctricas, por ejemplo. Las nanopartículas utilizadas en estas membranas poliméricas se denominan estructuras aromáticas porosas, o PAF, que son redes tridimensionales de átomos de carbono unidos por compuestos formados por múltiples moléculas en forma de anillo, grupos químicos denominados compuestos aromáticos. La estructura interna está relacionada con la de un diamante, pero con el enlace entre los átomos de carbono alargado por el enlazador aromático para crear mucho espacio interno. Se pueden unir varias moléculas a los enlazadores aromáticos para capturar sustancias químicas específicas.

Para capturar mercurio, por ejemplo, compuestos de azufre llamados tioles, que se sabe que unen fuertemente el mercurio, están adjuntos. Los grupos de azufre metilado añadidos permiten la captura de cobre, y grupos que contienen hierro de captura de oxígeno y azufre. Las nanopartículas alteradas constituyen aproximadamente el 20% del peso de la membrana, pero, porque son muy porosos, representan aproximadamente el 45% del volumen.

Los cálculos sugieren que un kilogramo de la membrana de polímero podría eliminar esencialmente todo el mercurio de 35, 000 litros de agua que contienen 5 partes por millón (ppm) del metal, antes de requerir la regeneración de la membrana.

Uliana demostró en sus experimentos que el ácido bórico, un compuesto de boro que es tóxico para los cultivos, puede ser eliminado por estas membranas, aunque con diálisis de difusión que se basa en un gradiente de concentración para impulsar la sustancia química, que no es iónica, como los metales, a través de la membrana para ser capturados por las nanopartículas de PAF.

"Probamos diferentes tipos de agua de alta salinidad, por ejemplo, agua subterránea, aguas residuales industriales y también agua salobre, y el método funciona para cada una de ellas, ", dijo." Parece ser versátil para diferentes fuentes de agua; ese era uno de los principios de diseño que queríamos poner en esto ".

Uliana también demostró que las membranas se pueden reutilizar muchas veces, al menos 10, pero probablemente más, sin perder su capacidad para absorber metales iónicos. Y las membranas que contienen PAF ajustadas para absorber metales liberan fácilmente los metales absorbidos para su captura y reutilización.

"Es una tecnología donde, dependiendo de cuáles sean tus impurezas tóxicas, puede personalizar la membrana para que se adapte a ese tipo de agua, "Agregó Long." Es posible que tenga problemas con el plomo, decir, en Michigan, o hierro y arsénico en Bangladesh. Entonces, usted apunta a las membranas para fuentes específicas de agua contaminada. Estos materiales realmente lo derriban a niveles a menudo inconmensurables ".