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Remediación ambiental de agua residual contaminada por metales pesados

Innovación y tecnología adsorbato, Contaminación del agua, metales pesados, nanoadsorbentes, nanotecnología

Uno de los grandes problemas de contaminación ambiental en cuerpos de agua es debido a la presencia de metales pesados. A diferencia de los compuestos orgánicos, estas especies químicas son no biodegradables y altamente tóxicas, por lo que se acumulan de manera sistemática en suelos agrícolas y sistemas vivos causando por consiguiente severos daños a los ecosistemas y a la salud humana.

Desafortunadamente, la problemática de la contaminación ambiental por estas especies químicas se ha incrementado hoy en día, debido a dos tipos de cuestiones: a) naturales por el efecto de la migración de estos iones metálicos a partir de los minerales en donde existen de manera natural y b) debido principalmente al incremento en las últimas décadas de las actividades humanas en industrias tales como la minería, la metalúrgica, la agricultura así como el incremento en el uso de vehículos automotores lo que ha generado un aumento en la concentración de estos metales pesados en cuerpos de agua, además del escaso o deficiente tratamiento de las aguas residuales de las industrias que desechan estos contaminantes en sus procesos .

En la actualidad, estas industrias juegan un papel muy importante para la producción de productos de valor comercial a partir de materias primas y por ello los manejan en grandes cantidades y requieren de un gran abastecimiento en cuanto a metales pesados para la realización de sus actividades respectivas. En ciertas ocasiones, este tipo de industrias vierten sus desechos a diferentes sitios, contaminándolos de manera considerable. Esto pone en riesgo la salud de personas que se encuentren en contacto con ellos, ya sea por su ingesta directa o por el consumo de alimentos que los hayan usado durante su producción (cultivos, carnes, lácteos). De esta forma, los metales pesados más comunes que se han encontrado en cuerpos de agua o aguas residuales se encuentran: Hg(II), Pb(II), Cr(III), Cr(VI), Ni(II), Co(II), Cu(II), Cd(II), Ag(I) y As(III, V). Afortunadamente, la ciencia y la tecnología han logrado gradualmente dar respuestas a estas problemáticas proponiendo técnicas y metodologías para su correspondiente tratamiento, dentro de las cuales encontramos procesos de adsorción, precipitación, intercambio iónico, osmosis reversa, tratamientos electroquímicos, filtración con membranas, evaporación, filtración, flotación, oxidación y biosorción las cuales están siendo aplicadas con buenos resultados.

En este sentido, es bien sabido que si se llegan a presentar niveles más elevados de los permitidos por las diferentes normas nacionales e internacionales estos metales pesados son sumamente peligrosos. Los efectos en humanos causados por estos metales van desde dermatitis o alergias, hasta fallos orgánicos letales o enfermedades crónicas. Por ejemplo, ingerir altos niveles de níquel y mercurio (usados en industrias mineras) genera una mayor probabilidad de desarrollar cáncer además de provocar daño al ADN de células sexuales. Por otra parte, el hierro en altas concentraciones afecta al cerebro y al sistema nervioso central. Este riesgo global y vigente crea la necesidad de crear nuevas metodologías, más económicas, eficientes y de fácil acceso, así como de nuevos materiales (específicamente nanomateriales) que sean capaces de remover de manera eficiente a los metales pesados del agua contaminada para así garantizar la viabilidad de su uso, así como la calidad de la misma.

De las metodologías mencionadas, la adsorción que se define como un proceso superficial, en el cual se concentra sobre la superficie de un material generalmente sólido conocido como “adsorbente”, una especie química denominada “adsorbato” (en este caso los metales pesados) es una metodología que ha sido empleada con éxito en el tratamiento específico de sitios de agua contaminados con metales pesados. Debido a sus características particulares como facilidad de implementación, viabilidad económica, bajo consumo de energía y desde luego su alta eficiencia, la adsorción es uno de los métodos más rentables para el tratamiento de aguas residuales contaminadas con metales pesados.

Estudios al respecto han demostrado, que la clave para el éxito de este proceso radica en la forma y la naturaleza del adsorbente. En este sentido, la nanotecnología que se define como el diseño, creación, síntesis y aplicación de sistemas, dispositivos y materiales en donde uno de sus componentes debe encontrarse en el intervalo de la nanoescala (1 – 100 nm) es una tecnología que ha dado respuesta a los requerimientos de los adsorbentes. Otra característica de estos nanoadsorbentes es que pueden sintetizarse a partir de materiales de desechos, por ejemplo, el caso de PET (polyethylene terephthalate, a partir de sus siglas en inglés) lo cual aporta un valor agregado a estos nanoadsorbentes provenientes de desechos. En la Universidad de las Américas-Puebla (UDLAP), laboratorio de nanotecnología, se está trabajando en la síntesis de nanofibras de PET para la remoción de metales pesados tales como Cu(II), Pb(II), Ni(II) y Cr(VI) por medio de procesos de adsorción.

Acerca de los autores: Dr. Felipe Córdova Lozano. Profesor de tiempo completo en el Departamento de Ciencias Químico Biológicas, UDLAP. Doctor en Química, con especialidad en Química Molecular y Estructural por la Université Joseph Fourier Grenoble, Francia. Maestro en Ciencias con especialidad en Ingeniería Química por la Universidad de las Américas Puebla, donde actualmente labora como profesor de tiempo completo en el Departamento de Ciencias Químico Biológicas, egresado de la Licenciatura en Química Industrial por la Benemérita Universidad Autónoma de Puebla. El Dr. Córdova ha realizado estancias de investigación en instituciones como: Brigham Young University, en Utah (USA) y The University of Texas at San Antonio (USA), donde trabajó con el Dr. Miguel José Yacamán. Perteneció al Sistema Nacional de Investigadores en el nivel 1. Ha publicado 14 artículos con arbitraje a nivel internacional, dirigido 17 tesis y participado en congresos nacionales e internacionales relacionados a su disciplina.

En empresas como Janssen y Júmex ha aportado sus conocimientos en proyectos de control de calidad y análisis de materia prima, al igual que en la UDLAP se ha desempeñado como Jefe Interino del Departamento de Ciencias Químico Biológicas, Coordinador Académico de la licenciatura en Nanotecnología e Ingenería Molecular y ha participado en el Consejo Administrativo. Actualmente es el coordinador de la Licenciatura en Química de la Udlap. Su investigación reciente se centra en la realización de proyectos que utilicen nanomateriales 1D en dónde se incluyen nanofibras, nanotubos y nanoalambres para procesos de fotocatálisis (utilizando nanofibras de óxidos metálicos), tratamiento de aguas residuales (vía procesos de adsorción), energías renovables (celdas solares sencibilizadas por colorantes) y tratamientos para la regeneración de huesos (utilizando nanofibras de polímeros naturales). Se define a sí mismo como una persona apasionada por su trabajo, que disfruta de la lectura y mantenerse actualizado en temas de su área de expertise para poder combinar la práctica y la teoría, aprovechando las características que brindan los nuevos nanomateriales.

Lic. en Nanotecnología e Ing. Molecular Ana Karen Córdova Estrada

PhD student in Water Sciences at: College of Engineering, University of the Americas Puebla, Mexico.

La estudiante del doctorado en Ciencias del Agua (UDLAP) Ana Karen Córdova E. obtuvo su licenciatura en Nanotecnología e Ingeniería Molecular en la Universidad de las Américas Puebla en mayo 2014. Ha participado en varios eventos académicos relacionados con la sustentabilidad y medio ambiente. Asimismo, ha participado en veranos de investigación, estancias de investigación y congresos tales como:

Summer School at MINATEC INP, Grenoble, France. Collaboration with Politecnico di Torino and École Polytechnique de Lausanne, 2012.
7th Internship Program Introduction to research for students with high academic achievement, CIDETEQ, Queretaro, México. Summer 2013.
IV Workshop of Physics on Nanostructures, CNyN-UNAM, Ensenada, B.C. August, 19-30, 2013.
2nd Internship Program, “Young of Excellence”, Centro de Investigación en Óptica, A.C., León, Guanajuato, México, July 2014.
Hazardous waste management, SMIACC, February 26 and 4th March, 2016. Puebla, Pue-México.
La Reta Summer Design Challenge, June 6 to July 15, 2016 at Brodmann52 in Puebla, México.
Technology for water management in transboundary basins, the Rio Grande Basin and climate change, Technology Transfer Workshop; May 17 and 18, 2018. UDLAP Puebla
First International Conference on Sustainable Water Treatment using Nanomaterials; June 12 to 14, 2018. CINVESTAV-Mexico
5th Seminar on the training of professional skills with a gender perspective; August 29 to September 1, 2018. Tuxtla Gutiérrez, Chiapas.
Estancia de investigación en el departamento de Ingeniería Civil de RICE UNIVERSITY bajo la dirección del Dr. Pedro J. Alvarez
Speaker en la edición 2019 del TEDx Puebla con el tema: “Adsorber si está bien escrito”