La estructura sintetizada demostró tener una mayor capacidad de adsorción de los contaminantes en comparación a otros adsorbentes
24 de marzo de 2022
Los contaminantes emergentes son compuestos químicos que, por su presencia en el ambiente, tienen potenciales efectos negativos en la salud y el medioambiente. Los problemas causados por los contaminantes emergentes comenzaron a identificarse a finales de los años 90. Desde entonces, expertos a nivel mundial estudian estos compuestos.
Dr. Arturo Hernández Maldonado
Fármacos, disruptores endocrinos (químicos mimetizadores de hormonas), entre otros que hacen parte de los desechos del cuerpo humano, son ejemplos de contaminantes emergentes que se identifican en los cuerpos de agua. Remover las trazas de estos contaminantes luego de haberse filtrado el agua es uno de los retos a los que se enfrentan los científicos.
El doctor Arturo Hernandez Maldonado, profesor del Departamento de Ingeniería Química en la Universidad de Puerto Rico en Mayagüez y director del Nanoporous Sorbents Syntesis and Absorption Lab (NSSAL), ha investigado por años los contaminantes emergentes, y sus posibles adsorbentes.
Estudios realizados en animales, por otros investigadores, se han detectado alteraciones genéticas y malformaciones en los fetos. Así mismo, investigaciones realizadas en cultivos, han encontrado la presencia de metabolitos (productos del metabolismo) de carbamazepina, un fármaco para tratar convulsiones, en concentraciones altas que puede ser tóxicas para los niños.
“Cuando se trata de pesticidas, no es un producto que el ser humano consume directamente, pero un pesticida que se arroja a un suelo con la lluvia se distribuye. Entonces, ¿cuál es el destino del pesticida? Luego de que ocurre todo esto, su función ya pasó, se protegieron los cultivos, etcétera, ¿qué sucede con ese pesticida residual cuando penetra el agua?, ¿qué pasa con esa agua que tiene el pesticida ahora cuando pasa a través de todo ese terreno?”, comenta Hernández-Maldonado.
La adsorción, con D, es un proceso químico-físico por el cual las partículas (átomos, iones o moléculas atrapados y retenidos en una superficie. Este método es el que se utiliza en los filtros de agua. En ocasiones, si se aplica cierto nivel de energía o esfuerzo, el proceso puede ser revertido, ya que las fases preservan sus identidades.
Hernández-Maldonado y su grupo combinaron varios materiales, entre ellos carbón activado (un compuesto de estructura porosa que, le permite tener una gran capacidad de adsorción) y una estructura cristalina metal-orgánica (MOF, por sus siglas en inglés), conformada por cromo y una estructura orgánica hidrofílica (afinidad por el agua). Esta estructura ayuda a dar selectividad para remover los contaminantes emergentes.
“Tenemos dos mundos que son bien interesantes, el carbón activado, al que no le gusta el agua, pero tampoco tiene selectividad porque adsorbe de todo, y la estructura metal-orgánicas, que puedes darle selectividad, pero tienes un gran problema, que es hidrofílica, le gusta el agua. En mi grupo trabajamos la remediación con adsorción, el cual es uno de los métodos de purificar el agua, y en el laboratorio nos encargamos de diseñar adsorbentes. En este último trabajo publicado lo que nosotros hicimos en el laboratorio fue que combinamos ambos materiales para explotar, por sinergia, las ventajas de cada uno de ellos. Creamos una estructura con una coraza de carbón activado y una médula de la estructura metal-orgánica en el centro. Para lograr esto tuvimos que crecer la estructura metal-orgánica dentro de los poros del carbón activado”, explica Hernández-Maldonado.
El estudio titulado Confined space synthesis of chromium–based metal–organic frameworks in activated carbon: Synergistic effect on the adsorption of contaminants of emerging concern from water, publicado en la revista Journal of Environmental Chemical Engineering y parte del trabajo de disertación doctoral el estudiante graduado Juan Carlos Muñoz (miembro del grupo NSSAL), describe la metodología de la síntesis confinada de la estructura metal-orgánica dentro de los poros del carbón activado. Utilizando un microscopio electrónico, y equipo de Rayos X, se confirmó que la síntesis se pudo llevar a cabo. Los contaminantes emergentes estudiados fueron carbamazepina (antiepiléptico), cafeína, ácido salicílico, naproxeno (analgésico), y otros metabolitos.
La capacidad de adsorción del material compuesto se probó con los contaminantes en el agua de forma individual y con múltiples contaminantes de manera simultánea, como se encontrarían en el ambiente. Los hallazgos del estudio demuestran que la combinación del carbón activado y la estructura metal-orgánica adsorben una mayor cantidad de contaminantes emergentes en comparación al carbón activado por sí solo. Asimismo, el estudio evidencia que la síntesis confinada es un mecanismo adecuado para la combinación exitosa de los materiales, y no meramente hacer una mezcla física de estos.
Además de seguir investigando y diseñando nuevos adsorbentes, se espera continuar creando conciencia y educando a la sociedad, y a los organismos pertinentes, para atender este problema. Una de las proyecciones futuras que se contempla es probar estos adsorbentes utilizando muestras de fuentes agua a través de toda la isla como por ejemplo ríos, lagos y aguas reclamadas para identificar los contaminantes emergentes presentes.
El grupo del doctor Hernández-Maldonado es de los pocos a nivel mundial que se dedica al diseño de adsorbentes a escala atómica. En las investigaciones realizadas en el laboratorio, colaboran estudiantes subgraduados y graduados.
El trayecto de investigación en este tema comenzó formalmente en el 2006 para el profesor Hernández-Maldonado con una dádiva CAREER de la Fundación Nacional de la Ciencia (NSF por sus sigas en ingles) y el trabajo continúa siendo auspiciado por otras dádivas federales hoy día. Luego en el 2011, el profesor Hernández-Maldonado comenzó una serie de simposios en Anaheim, California junto a la Sociedad Americana de Química (ACS, por sus siglas en inglés). Los simposios abarcan temas relacionados a los contaminantes emergentes como remediación, remoción, detección, ocurrencia (cuan frecuente a parecen), el destino, cómo llegan y afectan al ambiente, entre otros asuntos.
Por Ricardo J Pérez Burgos
Biólogo, estudiante del Programa Graduado de Lingüística de la UPR en Río Piedras e integrante del Programa de Comunicación Científica de la UPR.
