Remoción de metales pesados presentes en agua: ¿es posible usando recursos minerales del Estado de Coahuila?

B. A. Puente Urbina¹, I. M. de la Garza Rodríguez², Sagrario M. Montemayor¹*

¹ Centro de Investigación en Química Aplicada

² Facultad de Ciencias Químicas de la Universidad Autónoma de Coahuila

^* sagrario.montemayor@ciqa.edu.mx

En el Estado de Coahuila, particularmente en la Región Laguna, uno de los riesgos más alarmantes para la población más vulnerable es el elevado contenido de metales pesados y/o tóxicos presentes en el agua (extraída de pozos profundos y utilizada en algunas comunidades) en concentraciones superiores a las recomendadas por la Organización Mundial de la Salud y regulada por la Norma Oficial Mexicana (NOM-127-SSA1-2021). En general, el consumo de agua contaminada con metales pesados y/o tóxicos trae consecuencias graves para la salud, que pueden ser agudas (como náusea, vómito, diarrea, dolores de cabeza, etc.) o crónicas (como cáncer, diabetes, anemia, daño en riñones, hígado, huesos, etc.), debido a la acumulación gradual en huesos, órganos o tejidos; por lo que contar con agua libre* de estos contaminantes es crucial para preservar la salud de los habitantes de las comunidades afectadas.

Las propuestas de investigación que buscan atender esta problemática incluyen el desarrollo de materiales que “capturan”, mediante fenómenos físicos o químicos, metales pesados como el plomo (Pb²⁺) o el cadmio (Cd²⁺), metaloides altamente tóxicos como el arsénico (As³⁺ y As⁵⁺) o metales que, en grandes concentraciones, pueden volverse una amenaza para la salud, como el níquel (Ni²⁺) o el cobre (Cu⁺, Cu²⁺), gracias a sus propiedades de adsorción y/o absorción. Algunos de los adsorbentes que han dado mejor resultado son materiales carbonosos, como el grafeno y estructuras metal-orgánicas conocidas como MOFs (por sus siglas en inglés, metal-organic framework). Otros adsorbentes que dan buen resultado son las zeolitas, un tipo de mineral de la familia de los aluminosilicatos. Es importante mencionar que la selección de un material capaz de remover contaminantes disueltos en agua es una tarea compleja que requiere el análisis profundo de un sistema en constante cambio; donde la naturaleza y la concentración de los contaminantes se ven afectadas por el movimiento natural del agua subterránea o por la intensidad de las lluvias en un periodo determinado, por ejemplo. Otro factor que no se debe perder de vista es que la “solución propuesta” no ocasione un problema medioambiental mayor al que se busca corregir, como, por ejemplo, que el adsorbente se disuelva en el agua (por las condiciones reales de acidez, salinidad, etc.) y sea imposible recuperarlo. En las investigaciones más recientes se propone encontrar adsorbentes, simples o compuestos, que, además de “capturar” eficientemente los contaminantes presentes en el agua, estos puedan ser recuperados fácilmente y, preferentemente, reutilizados.

Una manera muy sencilla de recuperar fácilmente un material adsorbente disperso en agua sería que dicho adsorbente posea una respuesta magnética, es decir, que sea “atraído” por el campo magnético que emite un imán (este fenómeno físico se conoce como magnetización). Existen diferentes elementos y compuestos químicos que se magnetizan con mayor fuerza que otros y algunos que lo hacen temporalmente y otros que se quedan magnetizados permanentemente. Muchos materiales que se magnetizan fácilmente son metales, aleaciones u óxidos de elementos de transición como el hierro (Fe), cobalto (Co) o níquel (Ni) o de elementos de tierras raras como el neodimio (Nd), disprosio (Dy), praseodimio (Pr) o gadolinio (Gd) que se combinan con otros elementos para mejorar sus propiedades y/o hacerlos más duraderos. De todos estos elementos el hierro se encuentra en grandes concentraciones en los yacimientos minerales de la Región Desierto del Estado de Coahuila.

Con el objetivo de utilizar recursos disponibles en el Estado, en la búsqueda de posibles soluciones a una de sus problemáticas más graves, nos planteamos algunas preguntas: ¿qué compuestos de hierro pueden ser obtenidos, a partir de los minerales de la Región Desierto, y tienen una respuesta magnética deseable?; ¿esos compuestos pueden, por sí mismos, ser adsorbentes de metales pesados disueltos en agua?; ¿se pueden combinar con adsorbentes carbonosos o con zeolitas, para desarrollar un material que pueda ser fácilmente recuperado?... y nos dimos a la tarea de llevar a cabo el análisis de la literatura especializada en el tema y los experimentos necesarios en el laboratorio para darles respuesta. La búsqueda de respuestas a dichas preguntas nos ha llevado a:

1. diseñar una ruta de síntesis de óxidos de hierro, de fórmula MFe₂O₄ (M= Co, Cu, Ni, o una combinación de Ni, Zn y Gd), amigable con el medio ambiente, fácilmente reproducible y escalable, utilizando minerales de hierro del Estado de Coahuila
2. evaluar su respuesta magnética y comprobar que los óxidos de hierro de fórmula MFe₂O₄ (M= Ni o una combinación de Ni, Zn y Gd) tienen una respuesta magnética deseable para ser estudiados como posibles adsorbentes fácilmente recuperables
3. analizar el porcentaje de remoción de metales pesados encontrados frecuentemente en agua extraída de pozos profundos de la Región Laguna**, Pb²⁺ y Cd²⁺, y determinar que diferentes óxidos de hierro, de fórmula MFe₂O₄ (donde M es una combinación de Ni, Zn y Gd) pueden remover hasta un 93 % de plomo y cerca de un 45 % de cadmio presentes, simultáneamente, soluciones acuosas
4. determinar que compósitos formados a partir de óxidos de hierro de fórmula MFe₂O₄ (donde M es una combinación de Ni, Zn y Gd), y materiales carbonosos pueden remover hasta un 91 % de plomo y un 76 % de cadmio a partir de soluciones acuosas
5. el siguiente paso en nuestra investigación es evaluar la estabilidad de los adsorbentes durante el proceso de remoción, para determinar si son seguros para el medioambiente

El uso de recursos naturales disponibles en la región para resolver una problemática regional contribuye a disminuir el impacto al medioambiente generado por el traslado de equipos y materiales desde otros países*** y a mejorar la economía del país, ahorrando en costos de importación y transporte. Esta estrategia podría ser una solución amigable con el medioambiente, sostenible y económica para garantizar el acceso a agua con concentraciones de metales pesados inferiores a las recomendadas por la NOM-127-SSA1-2021 en las comunidades más vulnerables del Estado de Coahuila.

Ilustración 1. Propuesta de una solución sostenible y económica para garantizar el acceso

a agua libre* de metales pesados en las comunidades más vulnerables del Estado de Coahuila.

*En el caso ideal el agua potable debería estar 100 % libre de metales pesados y en casos como el del agua extraída de pozos profundos se considera segura para el consumo humano cuando en el proceso de purificación se logra obtener concentraciones menores a las recomendadas por la NOM-127-SSA1-2021 ([Pb] ≤ 0.010 mg/L y [Cd] ≤ 0.005 mg/L).

** En experimentos realizados en laboratorio bajo condiciones controladas, usando soluciones modelo preparadas utilizando: 1) agua destilada y desionizada y 2) agua potable; reactivos grado analítico (pureza >99.999%) de Pb²⁺ y de Cd²⁺ para alcanzar concentraciones conocidas; haciendo pruebas por triplicado; etc., para obtener resultados de análisis cuantitativos confiables.

*** Los yacimientos de hierro más abundantes se encuentran en: Australia (38,000 millones de toneladas), Rusia (35,000 millones de toneladas), Brasil (34,000 millones de toneladas), China (20,000 millones de toneladas), Ucrania (6,500 millones de toneladas), Canadá (6,000 millones de toneladas), etc.