Un equipo de investigación del Instituto de Ciencia de los Materiales de Sevilla (ICMS-CSIC-US) ha desarrollado unas arcillas sintéticas que eliminan metales pesados del agua con una eficacia hasta diez veces superior a la de los materiales convencionales, como las arcillas naturales o el carbón activo. Este material, diseñado en laboratorio, retiene contaminantes altamente tóxicos como el plomo, el cadmio o el mercurio, asociados a graves problemas de salud, y que se encuentran de forma frecuente en aguas afectadas por actividad industrial o minera. Con estas cualidades, podría aplicarse en la depuración de aguas residuales y en sistemas de reutilización hidráulica.
La novedad de la propuesta radica en que no se emplean arcillas naturales, sino unas fabricadas en el laboratorio ‘a medida’ para captar mejor los contaminantes. Para ello, se inspiran en su estructura, formada por capas de láminas muy finas que pueden atrapar sustancias entre ellas y la modifican para aumentar su capacidad de adsorción, como si fuera una esponja. «Esto nos permite controlar su composición, su estructura y la forma en la que interactúa con los contaminantes», explica a la Fundación Descubre la investigadora del ICMS-CSIC-US María Dolores Alba Carranza.
Los metales pesados como el plomo, el cadmio o el mercurio son peligrosos por su toxicidad, su persistencia y su capacidad de acumularse en todo tipo de organismos, incluido el humano. Por ejemplo, el plomo está asociado a daños neurológicos, mientras que el cadmio y el mercurio pueden provocar problemas renales y afectar a la cadena alimentaria. Ante este desafío, los investigadores han desarrollado una nueva estrategia basada en materiales que capturan estos contaminantes de forma más eficiente.
Más capacidad y mayor control
Los resultados muestran que estas arcillas sintéticas, que funcionan como un ‘sándwich’ de capas microscópicas que atrapan los metales en su interior y poseen el aspecto de polvo, presentan una capacidad de adsorción hasta diez veces superior a la de otros materiales empleados habitualmente en depuración de aguas. «En concreto, alcanzan valores muy elevados para la captura de metales como el mercurio, el plomo y el cadmio, lo que confirma su potencial como alternativa en tratamientos de descontaminación», indica el investigador del ICMS-CSIC-US Francisco Javier Osuna Barroso.
Tal y como explican en el artículo ‘Heavy metal adsorption isotherms on tailor-made brittle micas in water treatment applications’, publicado en la revista Journal of Contaminant Hydrology, los investigadores han desarrollado estos materiales a partir de estructuras inspiradas en arcillas naturales, pero modificadas para mejorar su capacidad de captura de metales pesados.
El proceso comienza con la fabricación de estas arcillas en el laboratorio, combinando distintos compuestos y sometiéndose a altas temperaturas hasta obtener un material sólido con estructura laminar. Posteriormente, modifican su superficie añadiendo determinados grupos químicos que actúan como ‘puntos de anclaje’ para los metales pesados. De este modo, el material no solo atrapa contaminantes entre sus capas, sino también en su superficie, aumentando su eficacia.
Una vez obtenidos, los investigadores probaron estos materiales en pequeños recipientes de unos 30 mililitros aproximadamente con disoluciones que simulaban aguas contaminadas con distintos niveles de plomo, cadmio y mercurio. Así, midieron cuánta cantidad retenían y analizaron cómo se produce esa retención. Los resultados muestran que, en algunos casos, los metales se adhieren de forma reversible, como ocurre con algunos imanes. Esto permitiría reutilizar el material, mientras que en otros la unión es más fuerte.
Imagen del equipo investigador. De izquierda a derecha, María D. Alba Carranza, Francisco J. Osuna Barroso y Esperanza Pavón González.
Aplicaciones en depuración
Este avance tiene aplicaciones directas en el tratamiento de aguas contaminadas, pero también puede contribuir a mejorar los procesos de reutilización del agua y reducir el impacto de estos contaminantes en suelos y ecosistemas acuáticos. Entre las líneas de mejora en las que trabaja actualmente el equipo científico del grupo ‘Materiales para la energía y sostenibilidad’ se encuentra la incorporación de propiedades magnéticas, con el objetivo de facilitar la recuperación y reutilización de los materiales. Con estas mejoras, este material ‘a medida’ podría servir para reducir o eliminar otros contaminantes como los fármacos, los disolventes o los pesticidas.
Además, los investigadores apuntan que, integrados en materiales como membranas o recubrimientos, estos materiales podrían emplearse en ámbitos más avanzados, como la energía nuclear y la gestión de residuos radiactivos, donde es necesario capturar y retener contaminantes en condiciones extremas. «Este estudio sienta las bases para el desarrollo de materiales más eficientes y personalizados en la depuración de aguas, una herramienta muy importante para avanzar hacia modelos más sostenibles y una mejor gestión de los recursos hídricos», comenta la investigadora del ICMS-CSIC-US Esperanza Pavón González.
Este trabajo ha sido financiado por la Consejería de Universidad, Investigación e Innovación de la Junta de Andalucía, a través del proyecto de excelencia P12-FQM-567 ‘Optimización de sistemas de almacenamiento en seco usando materiales avanzados basados en nanoarcillas’.
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