Introducción
Las propiedades de los nanomateriales pueden ser consistentemente diferentes, comparados a las que exhiben en escala macroscópica, debido a la mayor área de superficie, a la proporción de volumen y a los efectos cuánticos. Estos factores pueden cambiar la reactividad, las propiedades catalíticas, la fuerza mecánica y las características eléctricas (Chaturvedi et al. 2012). Por lo tanto, sustancias opacas se convierten en transparentes (cobre); materiales estables se convierten en combustibles (aluminio), sólidos se convierten en líquido a temperatura ambiente, y aumentan su actividad catalítica (oro) y aislantes se convierten en conductores (silicona). Las nuevas propiedades de los nanomateriales prometen proveer nueva tecnología y la nanotecnología, ya está siendo usada en cientos de productos en varias industrias, con un crecimiento bastante rápido expandiendo el mercado (Morose 2010).
Materiales para filtración por membrana.
La nanotecnología podría tener avances revolucionarios en la industria de la desalinación de agua, aunque el desarrollo de dichas membranas está aún en un proceso inicial y existen varios problemas por resolver (Lee et al. 2011). Los desafíos principales son: el alto costo de los materiales nanoestructurados y la dificultad en escalar los procesos de manufactura de membrana para uso comercial. De acuerdo a Lange (2010), existen tres tecnologías que prometen reducir los requerimientos para desalinación hasta un 30%: Osmosis (directa y reversa), compositos de membrana hechos con nanotubos de carbono, membranas biomiméticas. Actualmente existen varias membranas desarrolladas con nanotecnología (Tabla 1) (Zhu et al. 2012). La nanotecnología ofrece un rango de soluciones más amplio para nuevos materiales de membrana (Lee et al. 2011, Ng et al. 2010), que incluyen: membranas de óxido de grafeno (Abraham et al. 2017), membranas de nanofiltración de cerámica, nanopartículas magnéticas (Jung et al. 2004), membranas poliméricas con recubrimiento antiderrame (cubiertas orgánicas tipo cepillo, membranas impregnadas con nanopartículas), compositos de membrana (compositos de membrana de película fina para osmosis, combinaciones: de metal/óxidos metálicos + polímero, nanotubos de carbón + polímero, zeolitas + polímero y aquaporina (AQP)+ polímero). Por otro lado las membranas de grafeno, tienen excelente propiedades de permeabilidad y científicos en Manchester recientemente demostraron que es posible controlar la intercapa para hacerla selectivamente permeable permitiendo así su uso en procesos de desalinación, alcanzando hasta 97% de remoción de NaCl (Abraham et al. 2017). Sin embargo, su costo no es sostenible para tratamientos de aguas residuales a gran escala. Las membranas de cerámica ofrecen muy alta resistencia a condiciones operativas extremas (pH, temperatura, flujo, intensidad de lavado) y a la presencia de agentes oxidantes y luz ultravioleta. Su superficie puede ser modificada con óxidos fotocatalíticos y con agentes orgánicos de recubrimiento (para desinfección y reducción del rebalse). Las nanopartículas de plata y titanio, son ideales para la incorporación en membrana y así reducir el derrame en membranas poliméricas (Ng et al. 2010). Mientras zeolita, nanotubos de carbono y AQP proveen alta permeabilidad.
Nanomateriales para catálisis y fotocatálisis.
Los nanomateriales son más efectivos que catalizadores convencionales por dos razones: su tamaño extremadamente pequeño (entre 80-100 nm, con la consecuente mayor superficie de proporción áreavolumen) y por la mayor reactividad relacionada a la nano escala en sí (Chaturvedy et al. 2012). El último aspecto (p.ej.: entender como la disminución del tamaño de las partículas catalíticas altera el rendimiento catalítico intrínseco más allá de simplemente tratarse de una expansión del área de superficie), y el diseño/preparación de los catalizadores
con un tamaño y estructura más efectivos son objetivos de la investigación en catálisis. La catálisis heterogénea en particular tienen el potencial de ser uno de los más importantes y áreas productivas de las nanociencias y tecnología en las siguientes décadas (Shannon et al. 2008). En el tratamiento de aguas residuales, el uso de los procesos oxidativos avanzados para la remoción de microcontaminantes orgánicos resistentes ha sido extensamente estudiado, pero la adopción de lámparas UV y ozono hacen que el gasto de energía sea prohibitivo. La aplicación de procesos solares fotocatalíticos basados en nanomateriales desarrollados recientemente puede abrir oportunidades para el desarrollo de procesos integrados de bajo-costo logre alcanzar la alta calidad requerida para re-uso de agua de lluvia y agua de desecho. Un alto número de nanomateriales ha sido propuesto para aplicaciones fotocatalíticas, sin embargo limitaciones comunes han sido encontradas para los materiales o el proceso: i) Recombinación de cargas (con reducción consecuente de eficiencia de luz), ii) Transparencia de luz visible (aunque un fuerte esfuerzo se ha concentrado en doping de catalizadores), iii) Inestabilidad coloidal y derrame (ocurrencia potencial y extensión en matriz real es mayormente desconocida), iv) Recuperación de catalizador (en caso de reactores de lecho), v) Baja actividad, distribución de luz (en caso de catalizadores en soporte).
Entre los catalizadores semiconductores, el dióxido de titanio (TiO2) ha recibido el mayor interés en R&D de tecnología de fotocatálisis (Chong et al. 2010). Aunque la fotocatálisis basada en TiO2 es ampliamente estudiada y la remoción exitosa de un amplio rango de moléculas orgánicas ha sido demostrada, su aplicación aún no ha alcanzado la comercialización mayormente debido a las dificultades en la separación y recuperación de los cataliza- dores y su transparencia a la luz visible.
Nanomateriales para desinfección de agua. De acuerdo a Li et al. (2008), varios nanomateriales (naturales y fabricados) han mostrado tener fuertes propiedades antimicrobianas incluyendo: quitosano, nanopartículas de plata (nAg), TiO2 fotocatalítico, fulerol, nanopartículas de fullerenos acuosos (nC60), nanotubos de carbono (CNT). Ya que, estos nanomateriales antimicrobianos no son fuertes oxidantes y son relativamente inertes en agua, no se espera que produzcan una desinfección dañina por sus co-productos. Por lo tanto, tienen el potencial de
reemplazar o potenciar los métodos de desinfección convencionales, si son incorporados apropiadamente en los procesos de tratamiento convencional, y en tratamientos descentralizados de puntos de uso y reusó de sistemas. Hay varios mecanismos propuestos, aunque en la mayoría de los casos su acción efectiva está aún investigándose. La acción de las nanopartículas fotocatalíticas usualmente incluye la producción de radicales oxidrilo, mientras que otros materiales parecen provocar daños directos a la membrana celular y/o interferencia con los procesos metabólicos. Las principales limitaciones identificadas para la aplicación de estos nanomateriales en agua y desinfección de aguas residuales son: -Los procesos de desinfección que requieren que el catalizador este en contacto con la superficie de la membrana celular para la inactivación microbiana deben ser exitosos. i) La recuperación del catalizador es difícil. ii) No existe remanentes de acción antimicrobiana en el agua. Aplicaciones prometedoras de nanomateriales para la desinfección de agua son desarrolladas para soporte del catalizador en filtros, proveyendo de una filtración que se autolimpia que puede ser usada en aplicaciones de punto de uso.
Ecotoxicidad potencial de nanomateriales y procesos relacionados a aplicaciones de agua. Los nanomateriales en el agua no afectan directamente a los humanos, pero existe la posibilidad de que se puedan ingerir nanomateriales al consumir pescados. Por lo tanto, el impacto de los nanomateriales en organismos acuáticos debe ser tomado en cuenta. Los efectos dañinos de los nanomateriales en organismos acuáticos están relacionados principalmente a nanopartículas.
La emisión de nanopartículas al medio ambiente puede venir de fuentes puntuales, p.ej.: vertederos o plantas de tratamiento, o de fuentes no puntuales, como máquinas de lavado, ropa o cualquier otro material conteniendo nanopartículas (Gehrke et al. 2015). Una mirada extensiva de los diversos efectos de las nanopartículas de TiO2 se dio a conocer el 2010 en un estudio de casos publicado por la Agencia de Protección al Medio Ambiente de los Estados Unidos (EPA) (Pederson et al. 2011) En ese estudio, diferentes tipos de nano- TiO2, diferentes vías de entrada y diferentes efectos en el medio ambiente y en organismos, incluyendo bacterias, algas, invertebrados, peces y plantas. Los efectos reportados en organismos acuáticos incluyen una disminución en la reproducción de daphnia así como distrés respiratorio, cambios patológicos en las branquias y el intestino, y cambios en el comportamiento de peces. Varios efectos agudos en algas podría ser demostrados dependiendo de la concentración media efectiva, dependiendo principalmente del tamaño de las partículas.
Conclusiones
La nanotecnología es un campo con mucho potencial. Continuamente se realizan mejoras en los sistemas de filtración utilizando membranas que no solo disminuyen en tamaño, sino en selectividad y duración, y aunque el costo aún sigue siendo elevado para un tratamiento de aguas a gran escala es importante mantenerse al corriente de los avances y tratar de replicar experiencias exitosas en otros países en nuestra propia comunidad. El estar pendiente a mejoras en procesos de desalinización podría ser utilizado en un futuro por ejemplo en desalinización del Lago Titicaca obteniendo de esta manera una
fuente de agua para pobladores de esa región. Por otro lado en poblaciones donde el acceso al agua es limitado no solo basta con implementar dispositivos para la cosecha de agua, sino el asegurar que esta agua sea de buena calidad y apta para el consumo para lo cual los procesos de catálisis y fotocatálisis usando nanopartículas. El campo de la nanotecnología aún no ha sido explorado del todo en nuestro país pero es pertinente conocer que muchas técnicas pueden adaptarse a nuestras necesidades siempre y cuando se consigan los socios estratégicos.
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