KINGSTON, Rhode Island – 8 de diciembre de 2022 – Se necesitan nuevos métodos de tratamiento de agua para garantizar que una población mundial en crecimiento tenga acceso a agua limpia. Uno de estos métodos de próxima generación involucra una forma de hierro llamada ferrato, que produce menos subproductos tóxicos que los químicos como el cloro y es potencialmente más barato y más fácil de usar que los complejos sistemas de tratamiento con ozono.

KINGSTON, Rhode Island – 8 de diciembre de 2022 – Se necesitan nuevos métodos de tratamiento de agua para garantizar que una población mundial en crecimiento tenga acceso a agua limpia. Uno de estos métodos de próxima generación involucra una forma de hierro llamada ferrato, que produce menos subproductos tóxicos que los químicos como el cloro y es potencialmente más barato y más fácil de usar que los complejos sistemas de tratamiento con ozono.

Sin embargo, para que el ferrato funcione de la mejor manera, debe combinarse con otros compuestos o excitarse con energía luminosa. Ahora, utilizando una técnica que utiliza pulsos de rayos X y láser ultrarrápidos, un equipo de investigadores de la Universidad de Rhode Island ha revelado nuevos detalles sobre la reacción química que se produce cuando el ferrato se expone a la luz visible y ultravioleta. Los resultados, publicados en el Revista de la Sociedad Química Estadounidensepodría ayudar a los investigadores a optimizar su uso en aplicaciones de tratamiento de agua.

«La activación de la luz del ferrato realmente nunca se ha estudiado en detalle», dijo Dugan Hayes, profesor asistente de química en la URI y autor correspondiente del estudio. «En este estudio, pudimos descubrir algunas de estas propiedades fotofísicas por primera vez».

El ferrato es un oxidante, lo que significa que puede descomponer los contaminantes robando sus electrones. El ferrato por sí mismo es un agente oxidante bastante poderoso. Pero cuando se excita con la luz, produce un oxidante aún más potente conocido como Fe(V) (o Hierro-5+). Sin embargo, antes de este nuevo estudio, no se sabía cuánta energía se necesita para producir Fe(V) y en qué cantidades se puede producir.

Para averiguar estas cosas, Cali Antolini, Ph.D. Estudiante en el laboratorio de Hayes, realizó experimentos usando espectroscopía de absorción transitoria, una técnica que estudia las reacciones fotoquímicas usando pulsos de láser ultrarrápidos. Un impulso inicial desencadena una respuesta, mientras que los impulsos subsiguientes sondean los pasos de la reacción a medida que se desarrollan. La velocidad de los pulsos, del orden de unas pocas mil millonésimas de segundo, brinda a los investigadores un registro detallado incluso de los productos de reacción de corta duración.

Antolini realizó experimentos con pulsos de luz ultravioleta y visible en las instalaciones de la URI. Condujo experimentos similares usando rayos X en la Fuente Avanzada de Fotones en el Laboratorio Nacional Argonne en Chicago, donde Antolini trabaja como parte de un programa de investigación de pregrado del Departamento de Energía.

El trabajo mostró que la tasa de conversión de ferrato en el altamente reactivo Fe(V) era de alrededor del 15 %. Esto es más o menos comparable a la producción radical de los sistemas de limpieza con ozono. La investigación también arrojó resultados sorprendentes con respecto al tipo de luz necesaria para producir las especies de hierro más reactivas. El equipo descubrió que un rango de longitudes de onda de luz que se extiende desde el espectro ultravioleta hasta casi el visible debería ser capaz de producir Fe(V). Este es un hallazgo importante por dos razones, dicen los investigadores. La luz visible requiere menos energía para producir esta luz ultravioleta, lo que podría hacer que la excitación del ferrato fuera más eficiente energéticamente de lo que se pensaba anteriormente. Además, la luz visible se dispersa menos en agua turbia, lo que significa que se puede producir Fe(V) en una variedad de condiciones de agua.

Los resultados son alentadores para Joseph Goodwill, profesor asistente de ingeniería civil y ambiental en la URI y coautor del estudio. Parte de su programa de investigación es encontrar formas de cerrar la «brecha de agua limpia» entre los sistemas de tratamiento de agua urbanos más grandes y los sistemas rurales pequeños.

Los sistemas de purificación a base de ferrato son una opción prometedora para sistemas más pequeños donde los sistemas de ozono costosos y complejos no son prácticos, dice Goodwill. El ferrato también tiene el potencial de reducir la dependencia de productos químicos agresivos como el cloro e incluso puede eliminar los contaminantes persistentes que el cloro no puede eliminar. Estos incluyen sustancias per-/polifluoroalquilo (PFAS), una clase de productos químicos que se encuentran cada vez más en pozos y sistemas de agua en los Estados Unidos. Sin embargo, antes de que los sistemas de ferrato puedan usarse ampliamente, los científicos deben comprender mejor la química del ferrato.

«La formación de oxidantes fuertes a partir de ferrato ha sido difícil de entender mecánicamente, y esto ha estancado la optimización de procesos y la implementación a gran escala en aplicaciones de tratamiento de agua», dijo Goodwill. «Los resultados presentados en este documento mejoran nuestra comprensión fundamental del sistema de ferrato, que abre puertas para las aplicaciones».

Los investigadores esperan que estos nuevos conocimientos sobre cómo funciona la fotoquímica del ferrato ayuden a ampliar el uso del tratamiento del agua a base de hierro.

La investigación fue apoyada por el Departamento de Energía de EE. UU. (DE-SC0019429 y DE-AC02-06CH11357) y la Fundación Nacional de Ciencias (2046383).


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