Algunos tipos de contaminación del agua como las floraciones de algas y los plásticos que contaminan los ríos, lagos y ambientes marinos, yacen a plena vista. Pero otros contaminantes no son tan evidentes, lo que hace que su impacto sea potencialmente más peligroso. Entre estas sustancias invisibles se encuentra el uranio. Lixiviación en los recursos hídricos de las operaciones mineras, sitios de desechos nucleares, o de depósitos naturales subterráneos, ahora se puede encontrar el elemento saliendo de los grifos de todo el mundo.

Solo en los Estados Unidos "muchas áreas se ven afectadas por la contaminación por uranio, incluyendo los acuíferos High Plains y Central Valley, que abastecen de agua potable a 6 millones de personas, "dice Ahmed Sami Helal, un postdoctorado en el Departamento de Ciencia e Ingeniería Nuclear. Esta contaminación representa un peligro cercano y presente. "Incluso las concentraciones pequeñas son malas para la salud humana, "dice Ju Li, el profesor de ciencia e ingeniería nuclear de Battelle Energy Alliance y profesor de ciencia e ingeniería de materiales.

Ahora, un equipo dirigido por Li ha ideado un método muy eficaz para eliminar el uranio del agua potable. Aplicando una carga eléctrica a la espuma de óxido de grafeno, los investigadores pueden capturar uranio en solución, que precipita como un cristal sólido condensado. La espuma se puede reutilizar hasta siete veces sin perder sus propiedades electroquímicas. "En cuestión de horas, nuestro proceso puede purificar una gran cantidad de agua potable por debajo del límite de uranio de la EPA, "dice Li.

En esta semana se publicó un artículo que describe este trabajo. Materiales avanzados . Los dos primeros coautores son Helal y Chao Wang, un postdoctorado en el MIT durante el estudio, que ahora trabaja en la Escuela de Ciencia e Ingeniería de Materiales de la Universidad de Tongji, Llevar a la fuerza. Investigadores del Laboratorio Nacional Argonne, Universidad Nacional Chiao Tung de Taiwán, y la Universidad de Tokio también participaron en la investigación. La Agencia de Reducción de Amenazas de Defensa (Departamento de Defensa de EE. UU.) Financió las etapas posteriores de este trabajo.

Apuntando al contaminante

El proyecto, lanzado hace tres años, comenzó como un esfuerzo para encontrar mejores enfoques para la limpieza ambiental de metales pesados ​​de los sitios mineros. Hasta la fecha, métodos de remediación para metales como el cromo, cadmio, arsénico, dirigir, mercurio, radio, y el uranio han demostrado ser limitados y costosos. "Estas técnicas son muy sensibles a los compuestos orgánicos en el agua, y son pobres para separar los contaminantes de metales pesados, "explica Helal." Por lo tanto, implican tiempos de operación prolongados, altos costos de capital, y al final de la extracción, generar lodos más tóxicos ".

Al equipo el uranio parecía un objetivo particularmente atractivo. Las pruebas de campo del Servicio Geológico de EE. UU. Y la Agencia de Protección Ambiental (EPA) han revelado niveles insalubres de uranio que se mueven hacia reservorios y acuíferos de fuentes de rocas naturales en el noreste de los Estados Unidos. de estanques y pozos que almacenan viejas armas nucleares y combustible en lugares como Hanford, Washington, y de las actividades mineras ubicadas en muchos estados del oeste. Este tipo de contaminación también prevalece en muchas otras naciones. Un número alarmante de estos sitios muestra concentraciones de uranio cercanas o superiores al límite máximo recomendado por la EPA de 30 partes por mil millones (ppb), un nivel relacionado con el daño renal. riesgo de cáncer, y cambios neuroconductuales en humanos.

El desafío fundamental consistía en encontrar un proceso práctico de rehabilitación que fuera exclusivamente sensible al uranio, capaz de extraerlo de la solución sin producir residuos tóxicos. Y aunque investigaciones anteriores mostraron que la fibra de carbono cargada eléctricamente podría filtrar el uranio del agua, los resultados fueron parciales e imprecisos.

Wang logró resolver estos problemas, basándose en su investigación del comportamiento de la espuma de grafeno utilizada para las baterías de litio y azufre. "El rendimiento físico de esta espuma fue único debido a su capacidad para atraer ciertas especies químicas a su superficie, ", dice." Pensé que los ligandos de la espuma de grafeno funcionarían bien con el uranio ".

Sencillo, eficiente, y limpio

El equipo se puso a trabajar para transformar la espuma de grafeno en el equivalente a un imán de uranio. Aprendieron que al enviar una carga eléctrica a través de la espuma, dividiendo agua y liberando hidrógeno, podrían aumentar el pH local e inducir un cambio químico que sacara los iones de uranio de la solución. Los investigadores encontraron que el uranio se injertaba en la superficie de la espuma, donde formó un hidróxido de uranio cristalino nunca antes visto. Al invertir la carga eléctrica, el mineral, que se asemeja a escamas de pescado, se deslizó fácilmente de la espuma.

Se necesitaron cientos de intentos para obtener la composición química y la electrólisis correctas. "Seguimos cambiando los grupos químicos funcionales para que funcionen correctamente, "dice Helal." Y la espuma era inicialmente bastante frágil, tendiendo a romperse en pedazos, así que necesitábamos hacerlo más fuerte y más duradero, "dice Wang.

Este proceso de filtración de uranio es simple, eficiente, y limpio, según Li:"Cada vez que se usa, nuestra espuma puede capturar cuatro veces su propio peso de uranio, y podemos lograr una capacidad de extracción de 4, 000 mg por gramo, que es una mejora importante con respecto a otros métodos, ", dice." También hemos logrado un gran avance en la reutilización, porque la espuma puede pasar por siete ciclos sin perder su eficiencia de extracción ". La espuma de grafeno también funciona en el agua de mar, donde reduce las concentraciones de uranio de 3 partes por millón a 19,9 ppb, mostrando que otros iones en la salmuera no interfieren con la filtración.

El equipo cree que es de bajo costo, Dispositivo eficaz podría convertirse en un nuevo tipo de filtro de agua doméstico, encajar en grifos como los de marcas comerciales. "Algunos de estos filtros ya tienen carbón activado, así que tal vez podríamos modificarlos, añadir electricidad de bajo voltaje para filtrar el uranio, "dice Li.

"La extracción de uranio que logra este dispositivo es muy impresionante en comparación con los métodos existentes, "dice Ho Jin Ryu, profesor asociado de ingeniería nuclear y cuántica en el Instituto Avanzado de Ciencia y Tecnología de Corea. Ryu, que no participó en la investigación, cree que la demostración de la reutilización de la espuma de grafeno es un "avance significativo, "y que" la tecnología de control del pH local para mejorar la deposición de uranio será impactante porque el principio científico se puede aplicar de manera más general a la extracción de metales pesados ​​de agua contaminada ".

Los investigadores ya han comenzado a investigar aplicaciones más amplias de su método. "Hay una ciencia en esto, para que podamos modificar nuestros filtros para que sean selectivos para otros metales pesados ​​como el plomo, mercurio, y cadmio, ", dice Li. Señala que el radio es otro peligro significativo para los lugares en los Estados Unidos y otros lugares que carecen de recursos para una infraestructura de agua potable confiable.

"En el futuro, en lugar de un filtro de agua pasivo, podríamos estar usando un filtro inteligente alimentado por electricidad limpia que activa la acción electrolítica, que podría extraer múltiples metales tóxicos, decirle cuándo regenerar el filtro, y brindarle garantía de calidad sobre el agua que está bebiendo ".