Los investigadores del Laboratorio Nacional de Oak Ridge del Departamento de Energía están abordando un desafío mundial del agua con un material único diseñado para atacar no uno, sino dos contaminantes tóxicos de metales pesados ​​para su eliminación simultánea.

Santa Jansone-Popova de la División de Ciencias Químicas de ORNL y Ping Li, ahora en Elementis Global, han descubierto un adsorbente con alta selectividad para cromo y arsénico en condiciones reales donde los recursos hídricos contienen muchos elementos químicamente similares.

Resultados publicados en Pequeño demostró que el nuevo material captura cromo y arsénico en una proporción equilibrada de 2 a 1. El avance fundamental crea una sinergia entre la captura de cromo y arsénico, de modo que cuanto más cromo agarra el material, más arsénico también puede eliminar.

"Es raro que un adsorbente capture dos contaminantes simultáneamente y funcione de manera rápida y eficiente en escenarios realistas para abordar la amplia gama de condiciones del agua en todo el mundo", dijo Jansone-Popova.

El cromo y el arsénico son dos de los contaminantes más peligrosos que se encuentran en el agua potable en todo el mundo. Ambos son tóxicos y pueden causar efectos adversos para la salud, incluido el cáncer. Incluso los niveles bajos representan riesgos significativos para los organismos vivos porque las dosis se bioacumulan o se acumulan con cada exposición y pueden alcanzar gradualmente cantidades dañinas. Estos elementos ocurren naturalmente, pero su presencia en el medio ambiente ha aumentado con la industria y la urbanización como subproductos de la minería, la producción y la manufactura. Las emisiones impactan el aire, el suelo y el agua, pero el agua potable es la vía de exposición más común.

En el agua, estos metales se disuelven para formar oxoaniones de cromato y arseniato, o sales, que son químicamente similares a los minerales beneficiosos que están naturalmente presentes en el agua, incluidos fosfato, sulfato, nitrato y bicarbonato. El cromato y el arseniato son muy móviles en el agua y pueden tener impactos de largo alcance. No se degradan y son permanentes en el medio ambiente sin intervención. Se necesitan enfoques específicos para separar estos metales de las sales minerales inofensivas que son vitales para el ecosistema.

Jansone-Popova es parte de un grupo de ORNL que se especializa en el estudio de adsorbentes, materiales que están diseñados para apuntar a elementos específicos y unirlos a una superficie. Los adsorbentes tienen amplias aplicaciones para ayudar a recuperar metales preciosos o eliminar contaminantes del medio ambiente.

"Son una de las opciones de tratamiento de agua más prometedoras porque son asequibles, fáciles de implementar y pueden funcionar rápidamente para filtrar los suministros de agua, pero deben adaptarse para un uso práctico en escenarios de limpieza", dijo Jansone-Popova. "El desafío consiste en diseñar materiales que puedan aislar de manera efectiva pequeñas cantidades de elementos nocivos que sean muy similares a las especies químicas a granel que se encuentran en el agua".

En el diseño de adsorbentes, la selectividad es clave. Debido a que la superficie de un material ofrece propiedades inmobiliarias limitadas, el objetivo es capturar solo los elementos específicos y capturar la mayor cantidad posible antes de que el adsorbente se llene y deba reemplazarse o reciclarse. Los materiales poco selectivos carecen de la precisión para señalar objetivos en entornos mixtos, como el agua, donde elementos similares compiten por el espacio.

Jansone-Popova dirigió anteriormente el diseño de un adsorbente con alta selectividad para el cromato que funciona rápidamente y en presencia de especies competidoras para descontaminar el agua. Un estudio publicado en Environmental Science and Technology mostró que el nuevo material redujo las concentraciones de cromato 100 veces en un minuto (1 parte por millón a 10 partes por billón) y alcanzó un nivel de un orden de magnitud por debajo de los límites permitidos establecidos por la Agencia de Protección Ambiental de EE. UU.

El equipo con Ping Li se basa en el enfoque para desarrollar un marco para capturar cromato y arseniato con un solo material.

"Nuestro material de partida es muy eficaz para capturar cromo en su forma más tóxica, el cromo hexavalente, pero el enfoque no fue diseñado para ser selectivo con el arsénico", dijo Li. "A medida que ocurre esta reacción, sin embargo, el material cambia, creando una plataforma para nuevas químicas".

Los investigadores modificaron la estructura original para reducir el cromo-6 capturado a un estado menos tóxico, el cromo-3. El cromo-3 también tiene la ventaja de proporcionar un punto de anclaje para unir el arseniato. La nueva estructura permite una reacción química que forma grupos estables de cromato-arseniato que están fuertemente unidos a la superficie. El resultado atrapa eficazmente las toxinas de forma permanente porque no se lavarán ni se desprenderán del material del filtro sin una eliminación intencional mediante un procesamiento químico.

"Aprovechamos la captura eficiente de cromo hexavalente para introducir una nueva arquitectura que también podría unirse al arsénico", dijo Li.

El arseniato de cromato, que alguna vez se usó como aditivo en la madera tratada a presión, sirvió de inspiración para la estructura.

El equipo ha patentado la estructura y está trabajando con colaboradores para expandir el enfoque a otros contaminantes ambientales.

"Descubrimientos fundamentales como estos pueden ayudarnos a reducir los contaminantes tóxicos en el medio ambiente y cumplir con los objetivos regulatorios para el agua limpia", dijo Jansone-Popova. + Explora más

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