Membranas y nanomateriales: alternativa tecnológica sostenible para procesos de separación

Dra. Griselda Castruita de León, Dr. Luis Alfonso García Cerda,

Dr. Germán Alvarado Tenorio, Q.F.B Bertha Puente Urbina.

Departamento de Materiales Avanzados del Centro de Investigación

en Química Aplicada (CIQA).

El desarrollo sostenible busca mantener un equilibro entre la satisfacción de las necesidades actuales de la población sin comprometer las de las generaciones futuras. A fin de lograrlo, es necesario que se tomen acciones y se busquen alternativas que impulsen los avances tecnológicos y el uso eficiente de los recursos, pero que a su vez tengan como eje central el bienestar de la sociedad y el cuidado del medio ambiente.

Desde hace décadas, las membranas poliméricas se han usado de manera efectiva en varios procesos de separación, purificación, tratamiento y eliminación de contaminantes en líquidos y gases que son útiles para la industria química, petroquímica, textil, alimentaria y de bebidas, farmacéutica y cosmética, por mencionar algunas. El éxito de su aplicación se ha basado en las ventajas que ofrece en cuanto a los requerimientos de operación y mantenimiento en comparación con otras formas y procesos tradicionales de tratamiento, destacando el enfoque hacia los ahorros energéticos y el bajo impacto ambiental, tales como la reducida emisión de dióxido de carbono, poco uso de sustancias químicas y una menor cantidad de energía para su funcionamiento. Así, las membranas se han empleado en procesos para recuperación y purificación de gases de gran importancia para uso doméstico e industrial como lo son metano, oxígeno, dióxido de carbono, nitrógeno, etc.; como filtros para la remoción de partículas contaminantes o sólidos suspendidos en efluentes; como medio de ultrafiltración para la eliminación de sustancias orgánicas contaminantes como colorantes y pigmentos en aguas residuales e industriales e incluso sales y metales pesados, así como bacterias, virus y otros microorganismos. Esta separación y retención de sustancias depende del tipo de membrana, el material del que está hecha y las características de su forma y preparación.

Por otra parte, los nanomateriales, llamados así, por su tamaño extremadamente pequeño y que cuentan con al menos una dimensión de menos de 100 nanómetros, vinieron a revolucionar la ciencia e ingeniería de materiales desde inicios del siglo XXI. Las investigaciones se han enfocado al desarrollo de nanomateriales inorgánicos tanto metálicos como no metálicos y también nanoestructuras basadas en carbono como el grafeno, los fullerenos, nanotubos y nanofibras de carbono. Todos ellos presentan características muy peculiares atribuidas precisamente a su tamaño nanométrico. De esta manera, los nanomateriales han abarcado casi todas las áreas de aplicación, por ejemplo, en energía, salud, medioambiente, construcción, automotriz, informática y telecomunicaciones, óptica, etc.

Un área de gran interés es la aplicación de los nanomateriales como una alternativa para atender problemáticas de gran impacto como lo es la contaminación del agua. Esta contaminación del agua proveniente tanto de procesos industriales como de los desechos generados por la población, daña al ecosistema y puede ser causante de serias enfermedades en el ser humano. Además, la contaminación imposibilita su reuso y reciclaje y pone en riesgo el acceso al agua limpia para uso humano.

Aquí, los nanomateriales juegan un papel muy importante, pues pueden ser aprovechados como sólidos adsorbentes donde los contaminantes de aguas residuales quedan retenidos en su superficie por medio de un proceso de adsorción. Además, los nanomateriales al ser mezclados con matrices poliméricas forman nanocompuestos capaces de ser usados como membrana para la adsorción y separación selectiva de contaminantes.

Contribuyendo al camino de la sostenibilidad, el desarrollo de nanomateriales a partir de fuentes naturales ha permitido que se reduzca la dependencia de fuentes provenientes del petróleo, lográndose valiosos resultados. Por ejemplo, las nanopartículas de almidón son obtenidas a partir del almidón extraído de fuentes naturales como el maíz, trigo, arroz, papa y yuca, por lo que son baratas y abundantes. Las nanopartículas de almidón pueden ser obtenidas por diferentes rutas y se caracterizan por presentar una alta área superficial, porosidad y una gran cantidad de grupos hidroxilo aptos para que la nanopartícula sea funcionalizada y así incrementar su afinidad hacia los diversos contaminantes, lo que conlleva a hacer más eficiente el proceso de remoción. Los estudios de investigación han mostrado que estas nanopartículas de almidón son efectivas para remover colorantes usados en la industria textil, metales pesados como cobre y plomo, así como otros contaminantes emergentes. La oportunidad de adicionar nanomateriales de almidón en matrices poliméricas sintéticas y más aún, en polímeros biobasados o provenientes de fuentes naturales renovables como quitosán, celulosa, ácido poliláctico o policaprolactona para la fabricación de membranas capaces de remover contaminantes como los previamente mencionados, conformarían un sistema altamente sostenible.

Considerando que la contaminación del agua es un problema mundial, que afecta no solo a los seres humanos sino a plantas y animales por igual y que los niveles elevados de los contaminantes pueden generar en el cuerpo una serie de daños que dependiendo de la edad de la persona pueden causar daños irreversibles. En este contexto, en el CIQA actualmente se están desarrollando materiales absorbentes a partir de polisulfona con almidón, membranas poliméricas que contienen nanoestructuras metal-orgánicas (MOF´s, por sus siglas en inglés). Estos materiales pueden ser de utilidad para remoción de contaminantes gaseosos como el CO 2 y líquidos como algunos colorantes orgánicos (azul de metileno, naranja de metilo, entre otros), aditivos químicos como el bisfenol A (BPA), utilizado en la industria química y que se encuentra en una variedad de productos que van desde lentes, hasta equipos deportivos, botellas, dispositivos médicos y dentales. Se espera que el desarrollo de estos materiales contribuya a disminuir la contaminación ambiental tanto del aire como del agua.

Figura 1. Esquema ilustrativo del uso de membranas y nanopartículas de almidón para remoción de

sustancias contaminantes del agua. [Autoría propia, realizado con Biorender.com]

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