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1 de Febrero de 2017
Química

Eliminación de contaminantes emergentes de las aguas residuales

El empleo de materiales carbonosos derivados de residuos orgánicos permite la retirada de contaminantes tales como fármacos y productos de higiene personal.

El agua, un recurso ecológico y económico esencial, es indispensable para la vida humana y la sostenibilidad ambiental. Sin embargo, debido al rápido desarrollo económico y al uso inadecuado que se ha hecho de ella, ha sufrido un alarmante deterioro. Durante décadas, toneladas de sustancias biológicamente activas han sido vertidas al ambiente muchas veces de forma inadecuada e incontrolada.

Al problema de la contaminación de las aguas cabe añadir su escasez, aspecto que está adquiriendo proporciones alarmantes a causa del cambio climático y la creciente desertización que está sufriendo el planeta. Este hecho es especialmente acuciante en los países en vías de desarrollo.

Se estima que alrededor de 1100 millones de personas en el mundo carecen de acceso al agua con unas mínimas garantías sanitarias, mientras que 2600 millones no disponen de sistemas de saneamiento de las aguas residuales. A causa de todo ello, cada año se producen 4000 millones de casos de diarrea, que provocan la muerte a 1,8 millones de personas, principalmente niños menores de cinco años.

Las medidas legislativas que se han ido adoptando para evitar la contaminación del agua y los riesgos que se derivan de ella han contribuido a paliar en parte este problema. Sin embargo, la creciente demanda de agua y la continua detección de nuevos contaminantes potencialmente peligrosos, conocida como contaminación emergente, dejan clara la necesidad de seguir investigando en todas aquellas áreas que ayuden a proteger la salud humana y la del ambiente, conseguir un uso sostenible del agua y atenuar los efectos de las sequías y el cambio climático.

Contaminantes emergentes

¿Cómo se definen estas sustancias? Se trata de contaminantes previamente desconocidos o no reconocidos como tales, cuya presencia en el ambiente no es necesariamente nueva, pero que han empezado a despertar preocupación. En muchos casos, corresponden a contaminantes no controlados que podrían ser incluidos en futuras reglamentaciones según sus posibles efectos sobre la salud y su mayor o menor presencia en las aguas de consumo. Otra característica de estos compuestos es que, debido a su creciente producción y consumo, se van acumulando cada vez más en el ambiente.

La lista de contaminantes emergentes incluye una amplia variedad de productos, como fármacos, productos para el cuidado personal, disruptores endocrinos, plaguicidas, drogas de abuso, aditivos de combustibles, retardantes de llama, dioxinas, hormonas y muchas otras sustancias, fundamentalmente de carácter orgánico. Se trata de contaminantes, en su mayoría, tóxicos, persistentes y bioacumulables.

En general, estos compuestos se hallan en el medio acuático en un intervalo de concentración muy bajo (del orden de microgramos por litro). Se ha comprobado, además, que no representan riesgos agudos para los organismos acuáticos ni para los humanos. Especialmente preocupantes son los llamados disruptores endocrinos, puesto que se comportan como hormonas artificiales: provocan alteraciones en el crecimiento, el sistema inmunitario, el desarrollo, la reproducción y el comportamiento de los animales, siendo la feminización de los organismos acuáticos superiores uno de los efectos más alarmantes y mejor documentados.

Los tratamientos de aguas residuales que emplean métodos clásicos no son, en general, adecuados para la eliminación de tales compuestos, ya que muchos de ellos persisten en los efluentes de las plantas depuradoras. La familia de contaminantes con mayor persistencia es la de compuestos farmacéuticos y, entre estos, los más relevantes son los analgésicos y los antiinflamatorios. Les siguen de cerca otros medicamentos, como los betabloqueantes (atenolol), los antibióticos y los antidepresivos.

Por tanto, es importante identificar y evaluar la eficiencia de otras técnicas de tratamiento de aguas que permitan minimizar la presencia de contaminantes emergentes con un bajo coste económico, energético y ambiental. Entre las nuevas propuestas se hallan los procesos con membranas (la microfiltración, la ultrafiltración, la nanofiltración, la ósmosis inversa, la electrodiálisis o los reactores de membranas), los procesos de oxidación avanzada (fotocatálisis o proceso Fenton), la ozonización y los tratamientos biológicos.

La adsorción

Otra de las soluciones de mayor interés para tratar los contaminantes emergentes es la adsorción, puesto que se presenta como una técnica barata, robusta y sencilla de implementar. Numerosos estudios han demostrado su eficiencia en la eliminación de ciertos fármacos y disruptores endocrinos. Además, el proceso se manifiesta extremadamente útil en la potabilización de aguas en países en vías de desarrollo, donde apenas existen estaciones depuradoras de abastecimiento general.

Una de las sustancias más empleadas en la adsorción es el carbón activado. Tradicionalmente, el que se ha utilizado en el tratamiento de las aguas residuales es el carbón activado comercial, o carbón mineral. Sin embargo, el elevado coste de este material, asociado a la imposibilidad de regenerarlo la mayoría de las veces, hace que cada vez resulte más habitual llevar a cabo la síntesis de carbones activados a partir de residuos lignocelulósicos.

Carbones derivados de residuos

La síntesis de carbones activados a partir de residuos lignocelulósicos constituye una alternativa de recuperación de residuos de origen vegetal (huesos, cáscaras y cortezas de frutas, maderas, serrín, etcétera) que conlleva la obtención de un material con valor añadido.

  Dos de los materiales carbonosos empleados para eliminar contaminantes emergentes, entre ellos los de varios fármacos, han sido los derivados de hueso de melócotón (izquierda) y de serrín (derecha). Imágenes obtenidas mediante microscopía electrónica de barrido. [CORTESÍA DE LOS AUTORES]

En nuestros estudios hemos analizado la eficacia de varios carbones generados a partir de diferentes precursores: hueso de melocotón, cáscara de arroz y serrín. Realizamos una activación química de estos materiales que constó de dos etapas: primero impregnamos el precursor con una disolución de ácido fosfórico, a 85 grados centígrados durante 6 horas, y después lo sometimos a 400 grados centígrados durante 4 horas en presencia de aire.

Los carbones resultantes muestran propiedades texturales, morfológicas y químicas que varían en función de la naturaleza del precursor. En este caso, hemos observado que los precursores leñosos, como el hueso de melocotón y el serrín, generan carbones con una elevada microporosidad, lo que da lugar a una superficie específica (superficie disponible para la adsorción) de 1521 y 796 metros cuadrados por gramo, respectivamente. En cambio, la cáscara de arroz origina un carbón de carácter mesoporoso (con poros de mayor tamaño), menor superficie específica (278 metros cuadrados por gramo) y un alto porcentaje de cenizas (estas corresponden al residuo inorgánico resultante de la incineración del material; cuantas más se producen, menos poder calorífico y peores propiedades mecánicas presenta el carbón).

El estudio de las propiedades texturales de sólidos porosos se describe generalmente mediante la determinación de isotermas de adsorción-desorción de nitrógeno, un gas inerte. Cuando un sólido poroso, como el carbón activado, se pone en contacto con nitrógeno a una determinada presión, el sólido comienza a adsorber el gas. A medida que aumenta la presión del gas, las moléculas de este se van adsorbiendo formando una monocapa sobre el material, y, a medida que aumenta la cantidad adsorbida, el nitrógeno se ordena en capas sucesivas en el interior del poro. Si se reduce la presión del gas, este empieza a salir del interior de los poros, produciéndose lo que se conoce como desorción. La cantidad de nitrógeno adsorbido a una temperatura dada (77 grados kelvin) para distintas presiones del gas se denomina isoterma de adsorción.

Los materiales lignocelulósicos estudiados exhiben distinta capacidad de adsorción, la cual varía también en función del contaminante eliminado. Se representan aquí las isotermas de adsorción del carbón de hueso de melocotón (HM) y de cáscara de arroz (CA) para el ibuprofeno (IBU) y la tetraciclina (TCN). Destaca la elevada capacidad de retención de tetraciclina por parte del carbón de hueso de melocotón. [CORTESÍA DE LOS AUTORES]

Tras elaborar las isotermas de adsorción-desorción de nitrógeno en los carbones estudiados, hemos comprobado que el derivado de hueso de melocotón presenta la mayor superficie específica, seguido del de serrín, que muestra valores intermedios, y, por último, del de cáscara de arroz, con los valores más bajos.

Asimismo, hemos obtenido las isotermas de los materiales carbonosos por lo que respecta a la adsorción de diversos contaminantes emergentes del agua: el ibuprofeno, la tetraciclina, el diclofenaco y el naproxeno. En todos los casos hemos observado valores excelentes de capacidad de adsorción. Especialmente notable es la eliminación de tetraciclina mediante carbón activado generado a partir de hueso de melocotón: partiendo de un agua con una concentración de contaminante de 100 miligramos por litro, hemos comprobado que este material retira del agua hasta 846 miligramos de tetraciclina por gramo de adsorbente.

De nuestras investigaciones hemos extraído la conclusión general de que los carbones activados más microporosos, al presentar mayor superficie disponible para la adsorción, exhiben valores elevados de eliminación de contaminantes emergentes. Este es el caso de los carbones sintetizados a partir de hueso de melocotón y serrín. Los carbones con mayor porcentaje de mesoporosidad, como el derivado de la cáscara de arroz, muestran menor capacidad de adsorción e isotermas con perfil multicapa, donde el contaminante se orienta en sucesivas capas sobre las paredes del poro.

La adsorción se clasifica como un proceso de tratamiento de carácter terciario, con lo que su adecuada aplicación va a estar centrada en el tratamiento final de efluentes de reactores de tratamiento biológico en las plantas de depuración de aguas residuales. Aunque la técnica es de fácil operabilidad, resulta imperativo mejorar los costes asociados al carbón activado, por lo que deben investigarse nuevos materiales más selectivos y baratos. También deben idearse sistemas para la regeneración del adsorbente, siendo este último paso el principal caballo de batalla de la técnica.

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