Este material híbrido, elaborado con nanopartículas de magnetita, se adhiere a los contaminantes y es posible removerlo posteriormente del medio acuoso mediante la acción de un imán
AGENCIA FAPESP/DICYT – El bagazo de la caña de azúcar, uno de los principales residuos de la agroindustria brasileña, ha mostrado una acción prometedora para su empleo en el proceso de descontaminación del agua con concentración de iones metálicos potencialmente tóxicos. Un material compuesto –un híbrido con características distintas a las de sus precursores– elaborado a partir del bagazo y de nanopartículas magnéticas removió cobre y cromo en un medio acuoso. Un grupo de investigadores brasileños obtuvo estos resultados y los publicó en el periódico científico Environmental Science and Pollution Research.
El cobre es un metal maleable y un buen conductor de la electricidad, por eso se emplea ampliamente en la industria, en la construcción civil y en actividades agrícolas. Es muy utilizado en el control de la proliferación de cianobacterias en reservorios de agua destinada al consumo humano. En pequeñas cantidades constituye un elemento esencial para los organismos vivos, pero en altas concentraciones en el agua puede provocar náuseas, vómitos y diarrea, según los análisis de la Compañía Ambiental del Estado de São Paulo (Cetesb).
En tanto, la mayor parte de las emisiones de cromo (Cr) hacia el ambiente tienen su origen en la actividad humana, con relieve para su aplicación en procesos industriales tales como el curtido de cuero y el teñido textil. Su toxicidad depende de su estado de oxidación: el Cr(VI) es la forma más tóxica, considerada cancerígena, en tanto que el Cr(III) es un micronutriente esencial para el mantenimiento del metabolismo humano. Debido a sus efectos adversos y a la gran cantidad de residuos industriales con Cr(VI), se han propuesto nuevas técnicas con empleo de biosorbentes para su remoción de aguas y efluentes.
En la referida investigación, el grupo brasileño desarrolló un compuesto de bagazo (un residuo de biomasa proveniente del procesamiento de la caña en las centrales de etanol y de azúcar) y nanopartículas de magnetita sintética, pero que se encuentran presentes en la naturaleza. El compuesto exhibe propiedades adsorbentes y magnéticas, y es eficiente en la remoción de diferentes especies químicas contaminantes presentes en el medio acuoso.
Tras la remoción del contaminante a cargo del material compuesto mediante el proceso de adsorción (cuando especies químicas quedan retenidas en las superficies sólidas del adsorbente), el material es retirado del medio acuoso por la acción de un imán, y el agua queda limpia.
“Su naturaleza híbrida, que une las propiedades de la matriz biológica [el bagazo de caña] con las magnéticas de las nanopartículas de magnetita, permite que los materiales propuestos en el trabajo sean versátiles. Es decir que el material también puede aplicarse en la remoción de moléculas orgánicas [colorantes sintéticos, fármacos, hormonas y pesticidas], lo que refuerza su potencial para el tratamiento de aguas y efluentes”, escribió el grupo en los artículos intitulados Nanomodified sugarcane bagasse biosorbent: synthesis, characterization, and application for Cu(II) removal from aqueous medium y Hexavalent chromium removal from water: adsorption properties of in natura and magnetic nanomodified sugarcane bagasse.
Las primeras autoras de los articulos fueron las alumnas Juliana Tosta Theodoro Carvalho y Thais Eduarda Abílio, respectivamente, bajo la supervisión de Elma Neide Vasconcelos Martins Carrilho, investigadora del Laboratorio de Materiales Poliméricos y Biosorbentes (Lab-MPB) de la Universidad Federal de São Carlos (UFSCar), en su campus de la localidad de Araras (en el estado de São Paulo, Brasil), en colaboración con Geórgia Labuto, del Laboratory of Integrated Sciences (LabInSciences) del Departamento de Química de la Universidad Federal de São Paulo (Unifesp) en la ciudad de Diadema. Esta línea de investigación cuenta con el apoyo de la FAPESP y del Consejo Nacional de Desarrollo Científico y Tecnológico (CNPq) de Brasil.
De acuerdo con Vasconcelos Martins Carrilho, este estudio forma parte de una serie de otros trabajos que su grupo viene llevando a cabo en el Lab-MPB (UFSCar), utilizando biomasas como biosorbentes, una alternativa factible y eficiente para la descontaminación de ambientes acuáticos. Una de las investigaciones, con el apoyo de la FAPESP – Fundación de Apoyo a la Investigación Científica del Estado de São Paulo, comprendió el desarrollo de un material adsorbente elaborado con biomasa de levadura (un residuo también resultante de los procesos fermentativos de la industria de azúcar y alcohol), por ejemplo.
“Con estos esos materiales, la propuesta consiste en crear columnas de adsorción en lecho fijo con los materiales compuestos adsorbentes elaborados con residuos de biomasa que serían desechados, considerados basura, para actuar como filtros biosorbentes. Esperamos que la producción científica con base en el uso de ese tipo de tecnología siga creciendo en Brasil y le dé impulso a la bioeconomía en el país”, afirma.
Vasconcelos Martins Carrilho recuerda que en los últimos años se ha registrado un crecimiento considerable de la cantidad de investigaciones producidas por científicos brasileños referentes a la biosorción. Los biosorbentes más investigados durante este período de tiempo tienen su origen en materia prima vegetal, seguida por algas y microorganismos. Estos datos figuran en el capítulo firmado por la investigadora y por Labuto en el libro Bioremediation and Bioeconomy, publicado en 2016.
El potencial
Según la investigadora, el interés en estudios referentes a biomateriales y procesos capaces de remover contaminantes del medio acuoso, tales como hormonas, metales, pesticidas y otros, ha venido incrementándose durante los últimos años, fundamentalmente debido al panorama de escasez de agua que se delinea para el futuro.
Los recursos de agua dulce por persona disponibles en el mundo disminuyeron más de un 20 % durante las últimas dos décadas. Este dato figura en el más reciente informe de la Organización de las Naciones Unidas para la Alimentación y la Agricultura (FAO), publicado en noviembre de 2020.
El documento The State of Food and Agriculture 2020 apunta que “la mejora de la gestión del agua, sustentada en una gobernanza eficaz y en instituciones fuertes, lo que comprende la seguridad de la posesión y los derechos, será crítica para garantizar la seguridad alimentaria y nutricional a nivel global”.
Asimismo, alrededor de 2.200 millones de personas en el planeta afrontan dificultades de acceso al agua potable, y 4.200 millones no cuentan con un saneamiento adecuado. Con los impactos de los cambios climáticos previstos hasta el año 2050, entre 3.500 y 4.000 millones de personas vivirán con un acceso limitado al agua, y más de 1.000 millones entre ellas vivirán en las ciudades.
Tan solo un 3% del agua existente en el mundo es dulce, pero solamente la mitad se encuentra accesible: el resto forma parte de glaciares y acuíferos inaccesibles. En tanto, el territorio brasileño concentra un 12 % del agua dulce del mundo. Como es la misma cantidad de agua la que circula continuamente por el planeta, la importancia del tratamiento es cada vez mayor. De acuerdo con los datos de la ONU, el 80 % de las aguas residuales no es objeto de tratamiento antes de su regreso al medio ambiente.
Otras aplicaciones
Vasconcelos Martins Carrilho recuerda que los materiales nanocompuestos magnéticos que el grupo estudia también poseen potencial para ayudar en la remoción de aceites (como el petróleo crudo) de la superficie del agua en casos de derrames.
En pruebas de laboratorio, los científicos han logrado que otros compuestos –elaborados con residuos de biomasa y magnetita– remuevan petróleo bruto y otros tipos de aceites derramados en el agua, con más de un 80% de eficacia.
