“Diseñamos nanomateriales a medida para eliminar contaminantes”

Maibelin Rosales, nacida en Venezuela hace 40 años, hoy es doctora en ciencias de materiales de la Universidad de Chile. A lo largo de su carrera ha investigado cómo desarrollar nanomateriales a través de diferentes morfologías (nanotubos, nanoláminas, nanoflores, etc.). Así los ‘cocina’ o ‘moldea’ con bellas formas en busca de nuevas propiedades. Para observarlos y caracterizarlos emplea instrumentos de alta resolución, como microscopios electrónicos.

La idea es sencilla, pero las posibilidades son muy amplias. En concreto, los nanomateriales que esta ingeniera crea en el  Centro Avanzado de Tecnología para la Minería (AMTC) de su universidad se pueden utilizar para el tratamiento de aguas contaminadas con elementos tóxicos, como el arsénico, y en la producción de energías alternativas, como el hidrógeno verde.

Maibelin Rosales muestra a SINC los nanomateriales que desarrolla / Alejandro Muñoz

¿Por qué es importante el tratamiento de aguas contaminadas con arsénico en Chile?

Por su condición geológica, en Chile se presentan elevadas concentraciones de arsénico de forma natural en el agua, sobre todo en la parte norte del país. La Organización Mundial de la Salud lo ha identificado como un elemento tóxico y cancerígeno. El límite máximo permitido para agua potable es de 10 ppb (10 partes de arsénico por 1 billón de partes de agua) y en ríos del norte de Chile se pueden encontrar concentraciones de hasta 3.000 ppb.

La OMS ha identificado al arsénico como un elemento tóxico y cancerígeno. El limite máximo permitido para agua potable es de 10 ppb y en ríos de Chile se ha medido hasta 3.000 ppb

La gran problemática es que las personas que viven en el norte consumen ese agua de forma directa, se bebe, se usa para cocinar y para regar cultivos. En esa zona norte se han observado elevados casos de cáncer de piel, de pulmón y otro tipo de enfermedades cardiovasculares, relacionados con el consumo de estas aguas contaminadas con arsénico.

Además, no solo es un problema en Chile. Este tipo de contaminación está presente en más de 50 países a nivel mundial, lo que implica que más de 150 millones de personas están afectadas por el consumo de aguas contaminadas con arsénico.

¿Cómo se diseñan las nanopartículas para eliminar el arsénico del agua?

El arsénico se presenta de forma natural en el agua como dos especies distintas, el As³⁺ (arsenito) y As⁵⁺ (arseniato). El primero es hasta cien veces más tóxico que el segundo y además es más difícil de eliminar. Generalmente se busca transformar el también llamado tipo III al tipo V para después eliminarlo.

Entonces, se busca que las nanopartículas cumplan esta doble función: transformar el As³⁺ en As⁵⁺ y luego capturarlo. Para esta aplicación, diseño nanomateriales basados en dióxido de titanio con propiedades específicas mediante síntesis hidrotermales. A través de cambios en las condiciones de operación, como la temperatura, los tiempos de reacción o la concentración de los precursores, puedo modificar su tamaño y su forma a escala nanométrica.

Dependiendo de la morfología de los nanomateriales también cambian sus propiedades. Así, puedo otorgarles la capacidad de absorción ante la exposición de luz solar, que es lo que lo que yo necesito para hacer esta transformación del As³⁺, o que puedan capturar otros contaminantes más allá del arsénico.

¿Y cómo se activan las nanopartículas en el agua?

Estos nanomateriales se ponen en contacto con el agua contaminada y son activados con luz solar. Una vez que el nanomaterial se activa, genera unas especies reactivas de oxígeno que oxidan el arsénico o los otros contaminantes que queremos tratar.

En general, para los primeros ensayos que hacemos en laboratorio utilizamos agua sintética en la que simulamos las concentraciones de arsénico encontradas en la mayoría de los ríos.

Una vez que el nanomaterial se activa con luz solar, genera unas especies reactivas de oxígeno que oxidan el arsénico o los otros contaminantes que queremos tratar

En una solución, colocamos un volumen de agua con un porcentaje específico del contaminante, además del nanomaterial en suspensión. Situamos la mezcla en agitación bajo irradiación solar o, en el caso del laboratorio, simulamos la luz solar mediante un fotorreactor.

Activación de las nanopartículas en el laboratorio mediante radiación. / Alejandro Muñoz

Cuando el contaminante ha sido completamente eliminado o la concentración disminuye a niveles aceptables, separamos el nanomaterial del agua tratada por filtración, para poder reutilizarlo en otros ciclos de reacción.

Una vez que optimizamos la cantidad de nanomaterial a utilizar y los tiempos de irradiación, escalamos los ensayos con muestras de aguas reales.

Recién habéis acabado un proyecto de planta piloto en el norte de Chile. ¿Pensáis que es posible implementar este tipo de tecnologías en las comunidades?

Nosotros empezamos con ciencia básica, si bien la solución final es ciencia aplicada.  Comenzamos con reactorcitos pequeños, de 200 mililitros, y luego pasamos a un prototipo de 7 litros.

Cuando constatamos que los resultados de la tecnología eran reproducibles, postulamos con la doctora Andreina García al proyecto SOLARSENIC para aplicarlo en una planta piloto. Instalamos un fotorreactor en un sector del río Loa en la región de Atacama, en el norte de Chile. Allí pudimos escalar la reacción para tratar cada hora 200 litros de agua contaminada por arsénico y obtener el estándar de agua potable de 10 ppb. En este proyecto nos acompañó el Basque Center on Materials, Applications and Nanostructures (BCMaterials) de España y la empresa Galuben Ecology de Chile.

Este prototipo es autónomo eléctricamente, porque la idea es que este tipo de planta se pueda instalar en zonas remotas, donde las potabilizadoras son muy costosas o las comunidades simplemente no tienen acceso a estaciones de tratamiento de agua. Por ello, el fotorreactor utiliza paneles solares que le confiere autonomía eléctrica para que pueda ser instalado en estas zonas.

Ya hemos demostrado que el proceso ha sido escalable de 200 ml a 200 l, sin embargo, nuestro alcance científico dificulta la comercialización o la escalabilidad en capacidad. Con apoyo de la de industria se podría conseguir fácilmente.

¿Cuánto costaría una pequeña planta de potabilización para las comunidades?

Se trata de una tecnología económica, donde el gasto de inversión del equipo es bajo; sin embargo, el 'corazón' de esta tecnología es el nanomaterial, por lo que el coste total va a estar limitado principalmente por el precio en la fabricación de este.

Es una tecnología económica, pero su corazón es el nanomaterial y el coste total va estar limitado por el precio de este

Por ahora, nosotros tenemos un coste estimado a escala de laboratorio, pero si pudiera ser producido en masa se reduciría enormemente, y sería rentable y competitivo con otras tecnologías actuales que ya existen. Con este objetivo, estamos trabajando en su escalabilidad a través de la creación de una spin-off.

Y más allá de eliminar el arsénico, ¿qué otros usos tienen estos nanomateriales?

Diseñamos los nanomateriales a medida, para aplicaciones específicas. Podemos hacerlos aptos para eliminar, degradar o capturar otro tipo de contaminantes, como, por ejemplo, los orgánicos de la industria textil —que son moléculas bastante difíciles de eliminar y no son biodegradables—, contaminantes emergentes como los antibióticos o los derivados de productos farmacéuticos y de cuidado personal, contaminantes de la industria petrolera como los fenoles y los clorofenoles, además de reducir o eliminar metales pesados. Con el nanomaterial específico y usando luz solar podemos eliminar del agua un amplio abanico de estas sustancias.

Los nanomateriales se pueden aplicar para degradar diversos contaminantes: de la industria textil, emergentes como los derivados de fármacos, procedentes de la industria petrolera

Además, actualmente estoy en un proyecto de posdoctorado de Fondecyt trabajando en la producción de hidrógeno verde a partir de agua, luz solar y estos mismos nanomateriales. Los modifico para que, además de que sean fotoactivos, es decir, que absorban energía solar, también puedan producir calor ellos mismos, para que al absorber energía solar sean capaces de elevar la temperatura por sí mismos.

¿Por qué es importante autogenerar ese calor?

Porque hay muchas reacciones fotocatalíticas, como esta que produce hidrógeno, o la que utilizo para eliminar contaminantes del agua, donde se ha demostrado que cuando se calienta el medio la reacción se mejora o se acelera. Por lo general se utilizan fuentes externas para calentar el medio. Si logro que no sea necesaria una fuente externa y que el propio nanomaterial pueda producir calor, aumentará la eficiencia de la reacción. En eso estoy trabajando ahora.

‘Cocinado’ de nanomateriales en el horno del laboratorio / Alejandro Muñoz

Por otro lado, respecto a los usos de los nanomateriales, investigadores de esta universidad (con los que también colaboro) los emplean como sensores de gas o para modificar membranas en los procesos de desalinización de agua de mar, ya que así pueden mejorar sus propiedades de 'antibioincrustamiento'. Esto evita que se ensucien las membranas y alarga su vida útil en los procesos de osmosis. Como ves, los nanomateriales tienen un sinfín de aplicaciones.

Además, acabas de conseguir una beca Marie Curie...

Sí. He sido reconocida con una beca postdoctoral Marie Sklodowska-Curie MSCA para tratar aguas con contaminantes emergentes, como los antibióticos, mediante mis nanomateriales y luz solar. También estudiaré las bacterias y los genes que resisten los antibióticos, junto a estudios de ecotoxicidad.

Comenzaré el postdoc el año que vienen en España, en el BCMaterials de Bilbao, pero el programa también contempla una estancia en el CBMA de Portugal y en la empresa TelLab de Irlanda.