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Un catalizador no tóxico para agua limpia y reutilizable

Platinum ha establecido un nuevo «estándar de oro» en joyería, y ahora está preparado para mejorar la calidad del agua.

A medida que el tratamiento de aguas residuales para la reutilización potable se convierte en una opción más viable y popular para hacer frente a la escasez de agua, se plantea la cuestión de qué subproductos nocivos se pueden formar durante el tratamiento y cómo abordarlos. Se sabe que un grupo de estos productos químicos, los aldehídos, persisten obstinadamente durante el procesamiento. Tóxicos para los humanos, los aldehídos ocuparán un lugar destacado en la lista de subproductos regulados en las próximas regulaciones de reutilización, según creen los investigadores de la USC, y requieren una metodología sostenible para eliminarlos de nuestra agua potable.

En una investigación publicada en ciencia y tecnologia ambiental, los investigadores de la Escuela de Ingeniería Viterbi de la USC están introduciendo platino para ayudar a limpiar incluso las toxinas más persistentes de las aguas residuales. El platino, el mismo metal que se usa en los convertidores catalíticos para limpiar los contaminantes del aire del escape de los automóviles, puede actuar como catalizador, dijo Dan McCurry, profesor asistente de ingeniería civil y ambiental, acelerando la oxidación para transformar los aldehídos que alguna vez fueron tóxicos en ácidos carboxílicos inofensivos.

Cuando se reciclan las aguas residuales, dijo McCurry, el agua resultante es «muy pura, pero no 100 por ciento pura». Todavía hay una pequeña cantidad de carbono orgánico detectable, y esos átomos de carbono podrían estar unidos a moléculas muy tóxicas o completamente inocentes. Esto ha desconcertado a la gente durante años, dijo, particularmente porque el carbono puede atravesar muchas capas de procesamiento y barreras.

Un estudio dirigido por el investigador de UC Berkeley, David Sedlak, encontró que «entre un tercio y la mitad» de estas moléculas están presentes como aldehídos, dijo McCurry. Los aldehídos son compuestos químicos caracterizados por un átomo de carbono que comparte un enlace doble con un átomo de oxígeno, un enlace simple con un átomo de hidrógeno y un enlace simple con otro átomo o grupo de átomos. También son generalmente tóxicos para los humanos, lo que significa que su consumo a largo plazo podría provocar diversas enfermedades crónicas y potencialmente mortales, como el cáncer.

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La oxidación catalítica de contaminantes orgánicos en el agua, sin electroquímica, la adición de sustancias químicas oxidantes aceptoras de electrones o fotoquímica, no se ha demostrado de manera sostenible hasta la fecha, dijo McCurry. Hasta aquí.

Una solución para un problema futuro.

McCurry recuerda haber aprendido sobre los oxidantes utilizados para sintetizar moléculas en una clase de química orgánica que tomó como estudiante de posgrado en la Universidad de Stanford. «El TA estaba hojeando una lista de oxidantes usados ​​por químicos sintéticos y los catalizadores de platino me llamaron la atención. No solo es uno de los pocos oxidantes no tóxicos, sino que puede usar el oxígeno en el agua para catalizar una reacción abióticamente (sin el uso de microbios).

«Eso fue realmente emocionante para mí», dijo McCurry, «porque siempre ha sido frustrante en el tratamiento del agua que el agua esté llena de oxígeno, pero realmente no importa».

Hay alrededor de ocho miligramos por litro de oxígeno disuelto en el agua, dijo McCurry. Aunque es un oxidante fuerte desde una perspectiva termodinámica, dijo McCurry, la reacción es lenta. Con platino, el proceso se acelera. Durante un tiempo, McCurry y su equipo de investigadores utilizaron platino para oxidar diferentes productos farmacéuticos de forma experimental.

«Sabíamos que podíamos oxidar algunas cosas, pero no teníamos en mente una aplicación clara para este catalizador», dijo McCurry. En última instancia, su esperanza era encontrar una aplicación impactante para su trabajo. Finalmente, después de un año de experimentación, se le ocurrió la idea mientras volvía en bicicleta desde el campus de Stanford. «¿Qué pasaría si pudiéramos usar platino en el tratamiento del agua para oxidar los contaminantes?» dijo. «Esencialmente sucedería de forma gratuita, y dado que el oxígeno ya está en el agua, eso es lo más parecido a la oxidación sin químicos».

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McCurry reconoce que el platino es caro, pero también señala que el costo, como el convertidor catalítico de un automóvil, es relativo. “Su automóvil probablemente contenga entre uno y 10 gramos de platino. La cantidad no es despreciable. Si es lo suficientemente barato para instalar un Honda Civic, probablemente sea lo suficientemente barato para instalar una planta de procesamiento de agua”, dijo McCurry.

El avance, dijo McCurry, no es tan relevante para la mayoría de las plantas de reutilización de agua existentes porque muchas de ellas promueven la «reutilización indirecta del agua potable». Aquí es donde, después de que se completan todos los procesos de tratamiento y reciclaje de agua, el agua se devuelve al suelo, creando esencialmente agua subterránea nueva. «Una vez que están en el suelo, es probable que un microbio se coma los aldehídos y el agua se limpie de esa manera», dijo.

«Pero cada vez más personas hablan de reutilización potable directa», dijo, «donde estamos hablando de un circuito de agua cerrado donde el agua va de la planta de tratamiento a la reutilización y luego a una planta de agua potable o directamente a el sistema de distribución en viviendas y comercios.

En esos casos, los aldehídos podrían llegar potencialmente a los consumidores, dijo McCurry. Aunque actualmente no está regulado, McCurry sospecha que la presencia de aldehídos en las aguas residuales recicladas pronto atraerá la atención de las autoridades reguladoras. «Este es el problema para el que no sabíamos que teníamos una solución, pero ahora sabemos que este catalizador, que usamos para oxidar productos farmacéuticos al azar por diversión, funciona muy bien en la oxidación de aldehídos y permitiría la reutilización directa del agua potable para satisfacer futuras lineamientos regulatorios y estándares de seguridad”, dijo.

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El equipo realizó un experimento preliminar utilizando platino en reactores por lotes con unos pocos galones de agua. Los experimentos fueron exitosos, pero McCurry dice que para que esto se extienda a un nivel de producción en masa, se necesitaría más investigación sobre cuánto tiempo permanece activo el catalizador. El equipo también está investigando cómo regenerar potencialmente el catalizador. McCurry dice que también será importante probar el sistema con agua más sucia, que puede obstruir el catalizador y hacerlo menos eficiente.

El proceso, para el cual el equipo tiene una patente pendiente, parecerá más sostenible que los métodos alternativos que pueden requerir la introducción de productos químicos y energía adicionales, dijo McCurry.