Membranas electronizadas con nanotubos de carbono ofrecen una eliminación más rápida de nitrato en el agua potable

La contaminación por nitratos en el agua ha planteado durante mucho tiempo amenazas para el medio ambiente y la salud humana. Ahora, los investigadores de Yale han desarrollado una forma eficiente y eficaz de eliminarlo.

Lee Winter, profesor asistente de ingeniería química y ambiental, propone el uso de membranas electrificadas hechas de nanotubos de carbono como técnica para la eliminación de nitratos en el agua potable. Se publican los resultados la naturaleza es agua.

Como señala Winter, hay dos formas de eliminar el nitrato del agua: secuestrarlo y destruirlo.

«Si sólo se separa el nitrato, se termina con un flujo de desechos concentrado que inevitablemente regresa al medio ambiente y al agua potable», dijo. «Entonces, si puedes destruirlo, sería genial».

Las técnicas de destrucción clásicas incluyen la desnitrificación biológica, que se utiliza habitualmente en las plantas de tratamiento de aguas residuales. El problema es que los procesos son delicados y el más mínimo cambio en aspectos como el equilibrio del pH, el contenido celular o la temperatura puede provocar que todo el proceso se descomponga. Y dado que depende de los microbios para destruir el nitrato, el proceso puede ser muy lento.

Para superar esos obstáculos, los científicos desarrollaron procesos electrocatalíticos. «Es muy rápido y también logra la destrucción de nitratos para no terminar con ese flujo de desechos concentrados».

Pero Winter señala que si bien estas tecnologías permiten un mayor control sobre el proceso, también tienen sus inconvenientes. Los procesos electroquímicos clásicos implican el uso de electrodos de placa plana bidimensionales.

«No se puede llevar nitrato de la solución a los electrodos lo suficientemente rápido como para que el nitrato reaccione eficazmente en la superficie de ese electrodo», dijo.

El laboratorio de Winter solucionó este problema utilizando membranas electrificadas hechas de nanotubos de carbono y el polímero que los mantiene unidos.

«Estamos fluyendo a través de un electrodo en estos sistemas, pero la clave aquí es que tenemos agujeros y estamos fluyendo a través de ellos, pero los tamaños de esos agujeros son realmente pequeños».

En los sistemas bidimensionales convencionales, la capa líquida más cercana a la superficie del electrodo (la «capa límite») tiene aproximadamente 100 micrómetros. Esta capa límite relativamente grande puede limitar la reacción porque el flujo de fluido y, por tanto, el transporte de nitrato a través de esa capa es mucho más lento que la velocidad de reacción.

Las membranas desarrolladas en el laboratorio de Winter tienen un tamaño de poro de unos 50 nanómetros, o unas 2.000 veces más pequeños. Esto significa que hay un pequeño espacio «lento» a través del cual el nitrato debe viajar antes de que pueda alcanzar la superficie del electrodo y reaccionar.

«Entonces, en esta configuración, podemos superar estas limitaciones de transmisión y comenzamos a ver algunas propiedades interesantes».

A diferencia de la mayoría de los sistemas electroquímicos que requieren metales para lograr una conversión adecuada de nitrato, las membranas de invierno no contienen metales. Debido a que superan las limitaciones de difusión, las membranas (que utilizan nanotubos de carbono como catalizadores) pueden lograr una conversión de nitrato comparable a la de los catalizadores metálicos.

Una de las mayores diferencias entre esta técnica y los procesos electroquímicos tradicionales es que reduce drásticamente el tiempo que lleva destruir el nitrato.

«En cuanto a los procesos electroquímicos tradicionales, si se quiere eliminar el 80% o el 90% del nitrato, normalmente se necesitan horas», dijo. «Hay que darle mucho tiempo para que reaccione porque lleva mucho tiempo llevar el nitrato a las superficies. En nuestros sistemas, obtenemos una conversión similar del 80 % en 15 segundos con nuestro reactor. Estamos pasando de horas a a 15 segundos.»

Para probar la tecnología en una aplicación del mundo real, el equipo de investigación de Winter tomó muestras de agua del lago Wintergreen cerca del campus de Yale y añadió una pequeña cantidad de nitrato.

«Es muy fácil convertir concentraciones altas, por lo que queríamos ver si funcionaba específicamente en concentraciones bajas que representarían lo que se ve en agua contaminada real», dijo. «Tomamos esa concentración y luego pudimos eliminar el nitrato por encima del estándar de la EPA para agua potable».