Investigadores del Laboratorio Nacional Oak Ridge del Departamento de Energía están abordando un problema mundial del agua con un material único que se dirige no a uno, sino a dos contaminantes tóxicos de metales pesados ​​para su eliminación simultánea.

Santa Jansone-Popova del Departamento de Ciencias Químicas de ORNL y Ping Li, ahora en Elementis Global, han descubierto un adsorbente con alta selectividad para cromo y arsénico en condiciones reales donde los recursos hídricos contienen muchos elementos químicamente similares.

Resultados publicados en Pequeña mostró que el nuevo material captura cromo y arsénico en una proporción equilibrada de 2 a 1. El avance básico crea una sinergia entre la eliminación de cromo y arsénico, por lo que cuanto más cromo recoge el material, más arsénico también puede eliminar.

«Es raro que un adsorbente capture dos contaminantes simultáneamente y funcione de manera rápida y eficiente en escenarios realistas para manejar la amplia gama de condiciones del agua en todo el mundo», dijo Jansone-Popova.

El cromo y el arsénico se encuentran entre los contaminantes más peligrosos del agua potable en todo el mundo. Ambos son tóxicos y pueden causar efectos adversos para la salud, incluido el cáncer. Incluso las concentraciones bajas presentan riesgos significativos para los organismos vivos, ya que las dosis pueden bioacumularse o acumularse con cada exposición y alcanzar gradualmente niveles nocivos. Estos elementos ocurren naturalmente, pero su presencia en el medio ambiente ha aumentado con la industria y la urbanización como subproductos de la minería, la producción y la manufactura a gran escala. Las emisiones afectan el aire, el suelo y el agua, pero el agua potable es la vía de exposición más común.

En el agua, estos metales se disuelven para formar oxoaniones de cromato y arseniato, o sales que son químicamente similares a los minerales beneficiosos presentes de forma natural en el agua, como fosfato, sulfato, nitrato y bicarbonato. El cromato y el arseniato son muy móviles en el agua y pueden tener efectos de largo alcance. No se degradan y están permanentemente presentes en el medio ambiente sin intervención. Se requieren enfoques específicos para separar estos metales de las sales minerales inofensivas que son vitales para el ecosistema.

Jansone-Popova forma parte de un grupo ORNL especializado en el estudio de adsorbentes, materiales diseñados para atacar elementos específicos y unirlos a una superficie. Los adsorbentes se utilizan ampliamente en la recuperación de metales preciosos o en la eliminación de contaminantes del medio ambiente.

«Son una de las opciones de tratamiento de agua más prometedoras porque son asequibles, fáciles de implementar y pueden funcionar rápidamente para filtrar el suministro de agua, pero deben adaptarse para un uso práctico en escenarios de purificación», dijo Jansone-Popova. «El desafío es desarrollar materiales que puedan aislar de manera efectiva pequeñas cantidades de elementos nocivos que sean muy similares a los productos químicos a granel que se encuentran en el agua».

Al diseñar adsorbentes, la selectividad es clave. Debido a que la superficie de un material tiene un espacio limitado, el objetivo es agarrar solo ciertos elementos y capturar la mayor cantidad posible antes de que el adsorbente se llene y deba ser reemplazado o reciclado. Los materiales poco selectivos carecen de precisión para identificar objetivos en entornos mixtos como el agua, donde elementos similares compiten por el espacio.

Jansone-Popova lideró anteriormente el desarrollo de un adsorbente con alta selectividad para el cromato que actúa rápidamente y en presencia de especies competidoras para descontaminar el agua. Un estudio publicado en ciencia y tecnologia ambiental mostró que el nuevo material redujo las concentraciones de cromato 100 veces (1 parte por millón a 10 partes por billón) en un minuto, alcanzando niveles de un orden de magnitud por debajo de los límites permitidos establecidos por la Agencia de Protección Ambiental de EE. UU.

La colaboración con Ping Li se basa en el enfoque de desarrollar un marco para detectar cromato y arseniato con un material.

«Nuestro material de partida es muy eficaz para eliminar el cromo en su forma más tóxica, el cromo hexavalente, pero el enfoque no fue diseñado para ser selectivo con el arsénico», dijo Li.

Los investigadores modificaron la estructura original para reducir el cromo-6 atrapado a un estado menos tóxico, el cromo-3. El cromo-3 también tiene la ventaja de proporcionar un punto de anclaje para unir el arseniato. La nueva estructura permite una reacción química que forma grupos de arseniato de cromato estables que están fuertemente unidos a la superficie. El resultado es un atrapamiento permanente efectivo de las toxinas, ya que no se eliminan ni se disuelven del material del filtro sin una eliminación intencional a través del procesamiento químico.

«Usamos la deposición eficiente de cromo hexavalente para introducir una nueva arquitectura que también puede unir arsénico», dijo Li.

El arseniato de cromo, que alguna vez se usó como aditivo en la madera tratada a presión, proporcionó la inspiración para la estructura.

El equipo ha patentado la estructura y está trabajando con socios para expandir el enfoque a otros contaminantes ambientales.

«Descubrimientos fundamentales como estos pueden ayudarnos a reducir los contaminantes tóxicos en el medio ambiente y cumplir con los objetivos legales de agua limpia», dijo Jansone-Popova.

El artículo de la revista se publica como «Redes orgánicas covalentes iónicas bifuncionales para la eliminación simultánea mejorada de oxoaniones de cromo (VI) y arsénico (V) a través del intercambio iónico sinérgico y el proceso redox».

El trabajo fue apoyado por la Oficina de Ciencias y utilizó recursos del Entorno de Cómputo y Datos para la Ciencia en ORNL.

UT-Battelle administra ORNL para la Oficina de Ciencias del DOE, el financiador individual más grande de investigación básica en ciencias físicas en los Estados Unidos. La Oficina de Ciencias trabaja para abordar algunos de los desafíos más apremiantes de nuestro tiempo. Visite energy.gov/science para obtener más información.

Publicado originalmente por Laboratorio Nacional de Oak Ridge.

Investigadores: Santa Jansone-Popova del Departamento de Ciencias Químicas y Ping Li, ahora en Elementis Global

Crédito de las imágenes seleccionadas: Adam Malin/ORNL, Departamento de Energía de EE. UU.


 

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