Investigadores del Laboratorio Nacional de Oak Ridge han descubierto un adsorbente con alta selectividad para el cromo y el arsénico en condiciones reales donde los recursos hídricos contienen muchos elementos químicamente similares.
El cromo y el arsénico son subproductos de una serie de procesos de minería, producción y fabricación. Ambos son tóxicos y pueden causar efectos adversos para la salud, incluido el cáncer. Incluso los niveles bajos plantean riesgos significativos para los organismos vivos porque las dosis se bioacumulan o se acumulan con cada exposición, y pueden alcanzar gradualmente cantidades dañinas.
En el agua, estos metales se disuelven para formar oxoaniones de cromato y arseniato, o sales, que son químicamente similares a los minerales beneficiosos que están presentes naturalmente en el agua, incluidos el fosfato, el sulfato, el nitrato y el bicarbonato. El cromato y el arseniato son muy móviles en el agua y pueden tener impactos de gran alcance. No se degradan y son permanentes en el medio ambiente sin intervención. Se necesitan enfoques específicos para separar estos metales de las sales minerales inofensivas que son vitales para el ecosistema.
Trae los adsorbentes
Aquí es donde entran en juego los adsorbentes. Los adsorbentes son materiales diseñados para dirigirse a elementos específicos y unirlos a una superficie. Tienen amplias aplicaciones para ayudar a recuperar metales preciosos o eliminar contaminantes del medio ambiente.
En un artículo publicado en la revista Small, los científicos de Oak Ridge explican que el nuevo adsorbente que descubrieron captura el cromo y el arsénico en una proporción equilibrada de 2 a 1. El avance fundamental crea sinergia entre el cromo y la captura de arsénico, de modo que cuanto más cromo agarre el material, más arsénico también puede eliminar.
«Es raro que un adsorbente capture dos contaminantes simultáneamente y trabaje de forma rápida y eficiente en escenarios realistas para abordar la amplia gama de condiciones del agua en todo el mundo», dijo Santa Jansone-Popova, coautor del estudio, en un comunicado de los medios de comunicación.
Pulir un enfoque anterior
Jansone-Popova dirigió previamente el diseño de un adsorbente con alta selectividad para el cromato que funciona rápidamente y en presencia de especies competidoras para descontaminar el agua.
Un estudio publicado en Environmental Science and Technology mostró que el nuevo material disminuyó las concentraciones de cromato 100 veces en un minuto (1 parte por millón a 10 partes por mil millones) y alcanzó un nivel de un orden de magnitud por debajo de los límites permitidos establecidos por la Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos.
Al asociarse con su colega Ping Li, Jansone-Popova decidió basarse en ese enfoque previo para desarrollar un marco para capturar tanto el cromato como el arseniato con un solo material.
«Nuestro material de partida es altamente efectivo para capturar cromo en su forma más tóxica, el cromo hexavalente, pero el enfoque no fue diseñado para ser selectivo para el arsénico», dijo Li. «Sin embargo, a medida que ocurre esta reacción, el material cambia, creando una plataforma para nuevas químicas».
Los investigadores modificaron la estructura original para reducir el cromo-6 capturado a un estado menos tóxico, el cromo-3. El cromo-3 también tiene la ventaja de proporcionar un punto de anclaje para unirse al arseniato. La nueva estructura permite una reacción química que forma grupos estables de cromato-arsenato que están fuertemente unidos a la superficie. El resultado atrapa eficazmente las toxinas de forma permanente porque no se lavarán ni se desprenderán del material filtrante sin su eliminación intencional mediante el procesamiento químico.
«Aprovechamos la captura eficiente del cromo hexavalente para introducir una nueva arquitectura que también pudiera unirse con el arsénico», dijo Li.
El arseniato de cromato, una vez utilizado como aditivo en madera tratada a presión, sirvió de inspiración para la estructura.
El equipo ha patentado la estructura y está trabajando con colaboradores para ampliar el enfoque a otros contaminantes ambientales.
«Descubrimientos fundamentales como estos pueden ayudarnos a reducir los contaminantes tóxicos en el medio ambiente y cumplir los objetivos regulatorios para el agua limpia», dijo Jansone-Popova.