Proyecto de Física1 [PDF]

Zitiervorschau

Innovadora técnica para la purificación del agua utilizando nanopartículas magnéticas

Resumen Se propone el uso de la nanotecnología como una alternativa para la purificación del agua mediante membranas capaces de retener hasta en 98 % metales pesados presentes en el agua; estas nanofibras podrían ser una alternativa para garantizar agua purificada en escuelas, centros laborales, espacios públicos y hogares en zonas marginadas. Camps Balabanov explicó el proceso de creación de estos electrohiladas de hierro y níquel: “Es como si fueran hilos finos que se jalan de un carrete, los nanohilos son arrastrados desde la aguja de una jeringa, que contiene la suspensión polimérica, hacia una placa colectora en donde se acumula y finalmente forma la membrana electrohiladas compuesta de nanofibras”. La formación de estos nanohilos es inducida por un campo eléctrico generado por un potencial de alto voltaje: 30 mil voltios (para poner en perspectiva, los electrodomésticos requieren de 120 V), que al cabo de un par de horas formará una membrana de 10 centímetros cúbicos. Palabras claves: Nanotecnología, nano partículas, purificación, membranas electrohiladas, nanohilos, electro hilado. Abstract. The use of nanotechnology is proposed as an alternative for water purification using membranes capable of retaining up to 98% heavy metals present in the water; These nanofibres could be an alternative to guarantee purified water in schools, work centers, public spaces and homes in marginalized areas. Camps Balabanov explained the process of creating these iron and nickel electro-strands: "It is as if they were fine threads that are pulled from a spool, the nanowires are dragged from the needle of a syringe, which contains the polymeric suspension, to a collecting plate where it accumulates and finally forms the electrospun membrane composed of nanofibers”. The formation of these nanowires is induced by an electric field generated by a high voltage potential: 30 thousand volts (to put it in perspective, household appliances require 120 V), which after a couple of hours will form a 10-centimeter membrane cubic.

Introducción A través de los tiempos los metales pesados han constituido un serio problema ambiental debido a su toxicidad y a sus repercusiones fisiológicas tanto en los seres humanos como en los animales. La investigación de la presencia de metales pesados en determinadas aguas como las residuales permite conocer las rutas de contaminantes y su interacción con otras sustancias presentes en ellas. Entre los metales pesados se pueden destacar, manganeso, plomo, cromo, cadmio, zinc, cobre y mercurio, entre otros. Todos ellos se encuentran catalogados como sustancias contaminantes que deben tenerse obligatoriamente en consideración para fijar valores límites de emisiones, aunque algunos de ellos son imprescindibles para el normal desarrollo de la vida biológica. Científicos han estado luchando una batalla difícil de ganar, esto no significa que no se haya intentado mejorar las situaciones, es todo lo contrario; se han creado diversos métodos que en cierta manera redujeron el problema, pero no lo elimino, ya que todas las técnicas utilizadas pueden no ser totalmente efectivas o sustentables. Un equipo de investigadores de la UNAM campus Morelos desarrolló membranas electro hiladas capaces de retener hasta el 98 por ciento de metales pesados presentes en el agua; estas nanofibras podrían ser una opción para garantizar agua purificada en escuelas, centros laborales, espacios públicos y hogares ubicados en zonas marginadas. El proyecto que se tiene en el instituto de ciencias físicas surge precisamente por el problema de la purificación del agua, el cual es un proceso vital que necesitamos que ocurra, ya que al no contar con un buen sistema de tratamiento de agua genera diversas enfermedades que muchas veces son mortales para el ser humano. A través de este proyecto se da una proyección futura de la mano de la nanotecnología que aporta soluciones a la problemática generada por el tratamiento común que se le da a el agua. Dado que los métodos que se utilizan como la decantación de sedimentos (reposo del agua) y la cloración en tanques de almacenamiento son los métodos más frecuentes para el saneamiento del líquido, éstos no consideran la eliminación de metales pesados (arsénico, mercurio, plomo, cromo o cadmio) u otros compuestos nocivos. Los nanos materiales que contienen nano partículas magnéticas de hierro y níquel que son materiales ferromagnéticos han sido el foco de estudios recientes del equipo de investigadores de la UNAM debido a que poseen propiedades atractivas que pueden absorber los metales pesados para la purificación del agua. Un ejemplo del potencial de los nanos materiales en este ámbito es la evolución del hierro y níquel cerovalente a nano escala. El uso de nanos materiales diseñados para la limpieza del medio ambiente comenzó cuando los investigadores descubrieron que una pequeña cantidad de partículas de hierro de tamaño manométrico podía eliminar contaminantes del agua subterránea como los policlorobifenilos (PCB), que, según se tiene constancia, son tóxicos tanto para los seres humanos como para el medio ambiente y pueden causar cáncer.

Los nanos materiales como el hierro y níquel cerovalente a nano escala poseen múltiples propiedades que los convierten en adsorbentes ideal de metales pesados en aguas contaminadas, a saber:      

Una superficie relativa amplia y un tamaño reducido Alta reactividad Capacidad de aislar metales pesados Capacidad de actuar con rapidez Buena capacidad de fijación de metales características estructurales que permiten la regeneración y la reutilización del nano material. La investigación tiene como objetivo el desarrollo de una innovadora técnica que consiste en el proceso de electro hilado de una solución polimérica que contiene nano partículas de hierro y níquel, el cual teje una membrana que sea capaz de absorber los metales pesados en el agua.

Materiales y métodos Electro hilado o electro spinning con Hierro (Fe) y Níquel (Ni) Iván Camps Balabanov científico de la ICF (Instituto de Ciencias Física) explicó el proceso de creación de la membrana electro hilada que retiene los metales pesados de las aguas contaminadas: Para esto los especialistas sintetizaron nano partículas cerovalentes de hierro y níquel (característica que las hace extremadamente activas con otros metales), que se agregan a la solución polimérica antes del electro hilado. [Figura1] Se cumple con el proceso de electro hilado de la solución polimérica que contienen las nano partículas de hierro y níquel la cual utiliza la configuración que se conoce como de tipo horizontal donde tanto la jeringa como el colector se encuentran en la misma posición, el promedio de los diámetros de la fibra y la uniformidad, están entre los obtenidos mediante el tipo vertical o el converso [1].

Figura 1- Proceso de electro hilado donde se tejen membranas electrohiladas de hierro y niquel tomando en consideración el voltaje y distancia para formar nanofibras ultra finas.

El principio del proceso consiste en aplicar un voltaje de 30 mil voltios (para dar una idea de la cantidad aplicada los electrodomésticos usan 120 voltios) todo esto es generado en la solución polimérica, lo que provoca la salida de una gota en la punta de la aguja. El campo eléctrico llega a un valor crítico y vence la fuerza de tensión superficial de la solución, por lo que la gota comienza a alargarse formando el conocido Cono de Taylor A . [Figura 2]

  Entonces como si fueran hilos finos que se jalan de un carrete, los nanos hilos son arrastrados desde la aguja de una jeringa, que contiene la suspensión polimérica, hacia una placa colectora en donde se acumula y al cabo de un par de horas formará una membrana electro hilada de Figura 2-Formación del cono de Taylor observado en los procesos de electro hilado del cual emana un 10 centímetros cúbicos compuesta de chorro de partículas cargadas por encima de un nanofibras” [2]. voltaje umbral. Estas pequeñas membranas están compuestas por hilos 10 mil veces más pequeños que el diámetro de un cabello, pero capaces de purificar agua contaminada con metales pesados, como el arsénico, plomo, cromo o mercurio considerándose así tecnología del futuro abriendo nuevos horizontes a los proyectos que se crean en busca de una mejor calidad de agua [3].

Pruebas en el laboratorio  A nivel del laboratorio los investigadores han probado las nano partículas de níquel removiendo el cromo del agua. Ellos realizan pruebas extremadamente controladas en donde se contamina agua con cromo y después de ello incorporan las nano partículas.  En el proceso en el que están interactuando las nano partículas con el agua que tiene algún contaminante es en donde está ocurriendo el fenómeno de la absorción, eso lo que hace es que quita el contaminante, posteriormente se les puede hacer estudios y análisis al agua y garantizar que están trabajando.  La técnica del electro hilado les permitió utilizar un polímero y formar del polímero hilos, muy pequeños, esos hilos se tienen que ver en un microscopio que les permita llegar a ver cosas en escala nanométrica. El producto final de las nanofribras hace el entretejido y se obtiene la membrana, la peculiaridad es que dentro de la membrana ya están incorporadas las nano partículas y al ponerla en contacto con el agua que pueda tener contaminantes, se realiza la verificación de que estás tengan la capacidad de retenerlos.  Al agua se le toma muestra cada cierto tiempo y van analizando la eficiencia de las nano partículas y de las membranas que las contienen [4]. 

Resultados y discusión El electro hilado de hierro y níquel es capaz de reducir las concentraciones de iones metálicos de transición a concentraciones de partes por millón, remueve la dureza y reduce el sodio en el agua, son ampliamente disponibles y ambientalmente seguros [5]. Además, la nano membrana al no ser tan cerrada requiere de menos presión (10A

Se refiere al cono observado en los procesos de electro hilado del cual emana un chorro de partículas cargadas por encima de un voltaje umbral.

50 bar.) y consumo de energía que la Ósmosis; por estas características es que vemos la nano filtración como una tecnología innovadora y prometedora para la purificación del agua. Se ha probado que esta técnica tiene tasas de flujo más altas que la Ósmosis B, produciendo hasta 15 galones por día por pie cuadrado de superficie de membrana e incluyendo que remueven parcialmente los sólidos disueltos totales. En un proyecto desarrollado en México, científicos de la UNAM, realizaron pruebas de laboratorio [Figura 3] y [Figura4] en la cual observaron que suspendida en la superficie o sumergida en el agua contaminada, la nanofibra es capaz de retener altos niveles de cromo (100 partes por millón) en un primer ciclo, considerando que el límite permisible por las normas mexicanas es de 0.065 partes por millón [4].

Figura 3- En la primera imagen se puede observar agua con cromo, en la segunda y tercera imagen podemos observar cómo se va limpiando el agua a medida que entra en contacto con las nano partículas en este caso en un imán.

Figura 4- En las pruebas de laboratorio también se ha podido comprobar que utilizando estas nano membranas puede eliminarse del agua altos niveles de cromo. B La ósmosis  es una tecnología de purificación del agua que utiliza una membrana semipermeable para eliminar iones, moléculas y partículas más grandes en el agua potable, mediante la aplicación de presión.

Iván Camps Balabanov, coordinador del proyecto, señaló que este método también es amigable con la ecología: “Cumple con todos los lineamientos de la química sostenible o ‘química verde’, que establece que la metodología de fabricación de nanopartículas y nanofibras no conlleven a la generación de subproductos difíciles de desechar o que puedan ser nocivos para el medio ambiente” [6]. En la fase final del proyecto, los expertos pretenden lograr un método simple que permita lavar y reusar las nanofibras, para maximizar su funcionalidad a mediano y largo plazos.

Conclusión Tras la investigación realizada demostramos que los métodos comunes que se utilizan para el saneamiento del agua no contemplan la total descontaminación de ciertos elementos. Lo que nos llevó a estudiar un método que elimine especialmente los metales pesados que generalmente se incorporan a la cadena alimenticia y que trae consigo muchas consecuencias para la salud. La innovadora técnica de membranas electro hiladas que contienen nano partículas de hierro y níquel para la purificación del agua, nos garantizan la eficiencia de este método, ya que estos elementos son materiales magnéticos capaces de atraer y recoger los compuestos nocivos que hay en este vital líquido. Los resultados obtenidos en esta investigación certifican la utilización de este método en lugares comunes como centros laborales, espacios públicos, hogares, escuelas y universidades. Al implementar la nanotecnología en la aplicación de esta técnica, podemos decir que esto también dará significativos beneficios socioeconómicos en las próximas décadas, cubriendo todos los sectores principales, como salud con nuevos tratamientos para el cáncer, en energía con novedosos sistemas de aprovechamiento de recursos renovables, y hasta para proteger el ambiente mediante el uso de materiales más pequeños que demandan menos materiales y menos energía requerida para su proceso. Todas estas investigaciones podrían paliar los problemas del agua si resuelven los retos técnicos que presenta la remoción de contaminantes como bacterias, virus, metales, arsénico, mercurio, pesticidas y sal.

Referencias [1]https//www.ptlomeo..unam.mx:8080/xmlui/bitstream/handle/132.248.52.100/1057 3/Tesis.pdf?sequence=1 [2] https://www.gaceta.unam.mx/desarrollan-nanofibras-para-purificar-agua/ [3]https://oncenoticias.tv/nota/desarrollan-membranas-capaces-de-purificar-aguacontaminada-con-metales-pesados [4] https://www.youtube.com/watch?v=uhVpGVQi2Js&feature=youtu.be [5] https://blog.fibrasynormasdecolombia.com/la-nanofiltracion-definicioncaracteristicas-ventajas-desventajas-aplicaciones-usos/ [6] https://www.veritasmedios.org/tecnologia/nanotecnologia-para-purificar-elagua.html