¿Puede la nanotecnología facilitar la aplicación de procesos electroquímicos en el tratamiento de agua?

Una de las principales preocupaciones a nivel mundial es la seguridad en el suministro de agua debido al cambio climático y la presencia de sustancias altamente toxicas y persistentes como los compuestos perfluoroalquilados (i.e., poly- and perfluoroalkyl substances – PFAS) en medios acuáticos. El uso de PFAS se reporta desde la década de 1940 en una amplia gama de aplicaciones, incluida la industria textil, espumas contra incendios, utensilios de cocina, molinos de papel, industria de semiconductores, electrónica, industria automotriz y muchas otras. Debido a su alta resistencia química y térmica, los PFAS son persistentes en tratamientos altamente destructivos como ozonización y otros procesos de oxidación avanzada (p ej, UV/H2O2). Esto ha llevado a una pandemia silenciosa, ya que estos productos químicos tienen efectos múltiples e irreversibles en la salud de los seres humanos, provocando estrés oxidativo, inmunosupresión (incluida una disminución de la respuesta a las vacunas), perjudicando la salud reproductiva tanto masculina como femenina, y aumentando el riesgo de varios tipos de cáncer. Hay casi 5.000 números CAS relacionados con PFAS, con propiedades fisicoquímicas muy diversas. En la búsqueda de las nuevas tecnologías para eliminar los PFAS y otros contaminantes emergentes, los procesos electroquímicos son atractivos debido a las muchas ventajas que ofrecen respecto a otros procesos de oxidación avanzada como: la ausencia del uso de los reactivos químicos, operación robusta y fácilmente automatizada, capacidad de tratar varios tipos de agua, incluyendo agua industrial, y muchas otras. En cuanto a su capacidad de degradar los PFAS, los procesos electroquímicos son capaces de romper los enlaces C-F (a diferencia de los otros procesos de oxidación avanzada) mediante la transferencia directa de los electrones entre la molécula y el ánodo. Sin embargo, una aplicación masiva de estos procesos ha estado limitada por dos principales factores: un elevado coste de los electrodos, de 4,000-6,000€ por m2, y producción de los subproductos clorados de alta toxicidad en la presencia de cloruro, que se encuentra naturalmente en todas las aguas.

ELECTRON4WATER presenta nuevos electrodos elaborados con materiales novedosos basados en óxido de grafeno reducido para el tratamiento de aguas ofreciendo notables ventajas respecto a los materiales actualmente utilizados en electrodos comerciales.

Los últimos avances logrados en el marco del proyecto ELECTRON4WATER  han podido superar estas limitaciones, presentando nuevos electrodos elaborados con materiales novedosos basados en óxido de grafeno reducido. El proyecto es una ERC Starting Grant liderado por la Dra. Jelena Radjenovic (profesora de investigación ICREA en el Instituto Catalan de Investigación del Agua, ICRA). Las esponjas de grafeno desarrolladas por el equipo ELECTRON4WATER ofrecen notables ventajas respecto a los materiales actualmente utilizados en electrodos comerciales. En primer lugar, el coste de la producción de este material es de varias órdenes de magnitud más bajo que los electrodos recientemente usados en la electro-oxidación, esto es debido a que la materia prima de los electrodos se basa en grafeno “imperfecto” (con la presencia de diversos defectos estructurales) y una estrategia de síntesis “bottom-up”; el coste estimado de las esponjas de grafeno desarrolladas es menos que 50€ por m2, lo que lo hace altamente atractivo para aplicación a gran escala. Adicional a su bajo coste, se ha observado una alta actividad electrocatalítica para la degradación de los compuestos orgánicos y microbiológicos (reportada en las recientes publicaciones en las revistas Water Research y Chemical Engineering Journal), al igual que la ausencia de reactividad con los iones de cloruro. Los últimos logros del equipo ELECTRON4WATER han demostrado la capacidad de las esponjas de grafeno en degradar los PFAS, rompiendo los enlaces C-F, superando uno de los mayores obstáculos presentados en procesos avanzados de oxidación. Por otra parte, el hecho de que el material sea electroquímicamente inerte hacía el cloruro elimina efectivamente la mayor limitación del tratamiento de agua mediante la oxidación electroquímica - producción de los subproductos clorados, los cuales presentan una elevada persistencia y toxicidad. Actualmente se desconoce por qué las esponjas de grafeno no oxidan un ion tan fácilmente oxidable como es el cloruro, no obstante, se ha reportado la producción de especies de alta capacidad oxidativa mediante la electrólisis del agua (p ej, ozono, radicales de hidroxilo, y peróxido de hidrogeno). Mientras la respuesta a esta pregunta puede estar en la teoría cuántica, el hecho de que se pueda realizar el tratamiento electroquímico del agua y degradar contaminantes orgánicos y biológicos sin formar productos clorados representa un gran avance para los futuros desarrollos de esta tecnología. Por ejemplo, las esponjas de grafeno hacen posible el tratamiento de aguas residuales con altas concentraciones de sales, como son los lixiviados de los vertederos, varias aguas industriales o concentrados de la osmosis inversa, para los cuales actualmente no existe una tecnología de tratamiento de agua adecuada. Estas aguas comúnmente contienen altas concentraciones de PFAS y otros contaminantes orgánicos, así que un tratamiento in situ aseguraría la prevención de la emisión de estos compuestos en el medio ambiente. Además de su buen rendimiento y bajo coste, las esponjas de grafeno desarrolladas por ELECTRO4WATER han demostrado alta estabilidad debida a una fuerte interacción entre el óxido de grafeno reducido y el soporte empleado en la síntesis de las esponjas – lana mineral. Con un alto porcentaje de dióxido de silicio, el soporte de lana mineral forma enlaces covalentes con el grafeno y así proporciona una alta estabilidad a la aplicación electroquímica del material. La síntesis y la aplicación de las esponjas de grafeno desarrolladas está en el trámite de la patente internacional, y se está planificando su explotación a una escala real.

Otra característica remarcable las esponjas de grafeno es la facilidad de la funcionalización del electrodo e introducción de varios dopantes en la red de óxido de grafeno reducido proporcionando mayor sensibilidad y especificidad a la superficie del electrodo, mejorando su actividad electrocatalítica hacia ciertos grupos de los compuestos orgánicos o biológicos. Estas novedosas funcionalizaciones del electrodo han permitido avances en el área de desinfección. Por ejemplo, el reciente estudio del equipo ELECTRON4WATER ha demostrado que se puede aumentar la desinfección de Escherichia coli de menos de 3 log de eliminación hasta 6 log de eliminación solamente cambiando el tipo de dopante de boro a nitrógeno, y aumentando la electro-sorción de las bacterias en el ánodo. Esta desinfección se ha conseguido sin la presencia de cloro, evitando así la producción de los subproductos de desinfección. Además, debido a la capacitancia de grafeno y a su capacidad de almacenar la carga eléctrica, es posible mantener el mismo rendimiento del sistema aplicando la corriente en modo intermitente en lugar de continuo, bajando así, de manera sustancial el consumo de energía. Adicional a los dopantes atómicos, se ha demostrado la posibilidad de hacer una gran cantidad de híbridos con el óxido de grafeno reducido y diferentes estructuras como materiales 2D, MXenos, entre otros, diseñando esponjas de grafeno para las aplicaciones específicas. Debido a esta característica, es posible elaborar una esponja de grafeno multifuncional que pueda aumentar la interacción con específicos grupos de contaminantes emergentes, por ejemplo, mediante la coordinación selectiva de grupos funcionales caracteristicos de PFAS, o la electro-sorción de compuestos altamente polares, disminuyendo a la vez la interferencia de la materia orgánica natural del agua.

Los últimos logros del equipo ELECTRON4WATER han demostrado la capacidad de las esponjas de grafeno en degradar los PFAS, rompiendo los enlaces C-F, superando uno de los mayores obstáculos presentadas en procesos avanzados de oxidación.

Otros avances logrados en el proyecto se centran en la síntesis y aplicación de los electrodos recubiertos por nanoestructuras de óxidos de manganeso, para los que se ha demostrado una excepcional actividad electrocatalítica hacia la oxidación eficiente y selectiva de sulfhídrico a sulfuro elemental, una componente valorizable. Los estudios publicados en la revista Applied Catalysis B Environmental demuestran que la aplicación de potenciales de tan sólo 0.6 voltios asegura una regeneración continua del catalizador de óxido de manganeso, y a su vez la intercapa de nanotubos de dióxido de titanio proporciona una alta estabilidad al dicho catalizador, asegurando así la durabilidad del material incluso en condiciones altamente corrosivas y en presencia de altas concentraciones de H2S. Actualmente, el proceso está en el trámite de la patente europea y se está investigando su aplicación para el tratamiento de los concentrados cáusticos de H2S que se producen durante el lavado del biogas.

El advenimiento de los materiales nanoestructurados como son las esponjas de grafeno y otros materiales desarrollados en el proyecto ELECTRON4WATER (p ej basados en los nanotubos de dióxido de titanio) prometen un rendimiento sin precedentes en la eliminación de los PFAS y otros contaminantes persistentes del agua debido a la naturaleza cuántica del estado energético en la nano escala. Estos materiales pueden abordar los desafíos ambientales que son insuperables para las tecnologías de tratamiento implementadas actualmente, y potenciar la próxima generación de los sistemas de tratamiento de agua. Los avances de la nanotecnología en el tratamiento del agua son cruciales para la implementación de sistemas de tratamiento distribuidos y descentralizados, y el desarrollo de los sistemas híbridos capaces de actuar como adsorbentes, membranas y/o electrodos a la vez, así integrando varias fases de tratamiento en un solo modulo. El grafeno de bajo coste empleado en el proyecto ELECTRON4WATER, y otros materiales nanoestructurados de los elementos abundantes en la naturaleza pueden eliminar la dependencia de los materiales de elevado coste en el tratamiento de agua, e impulsar la aplicación de los procesos electroquímicos en el tratamiento de agua con un amplio rango de uso, alta tasa de eliminacióny mejor reciclabilidad, conviertiendo a estos materiales en una elección prometedora en el tratamiento de agua.

El grafeno de bajo coste empleado en el proyecto ELECTRON4WATER, y otros materiales nanoestructurados de los elementos abundantes en la naturaleza pueden eliminar la dependencia de los materiales de elevado coste en el tratamiento de agua, e impulsar la aplicación de los procesos electroquímicos en el tratamiento de agua.

Finalmente, el diseño de material inteligente con propiedades “a la carta” puede asegurar un tratamiento de agua a bajo coste, sin usar reactivos químicos y acoplable a las fuentes de energía renovable, así proporcionando la independencia de la red eléctrica y asegurando la regeneración in situ de agua contaminada, apostando a su vez por un proceso más sostenible.