EL LODO reposa en un vaso de precipitados, oscuro y turbio. Añade una cucharada de polvo negro elaborado con cáscaras de naranja desechadas, espera una hora y la transformación es sorprendente. Lo que eran aguas residuales textiles contaminadas ahora es casi cristalino, las moléculas tóxicas de tinte azul encerradas dentro de un material que comenzó a recubrir la fruta destinada a las fábricas de jugo.
Es un truco ingenioso: convertir un problema de residuos en la solución de otro. Sin embargo, eso es precisamente lo que Lei Zhang de la Universidad de Ciencia y Tecnología de Shaanxi en China y sus colegas han logrado con su biocarbón diseñado: carbón activado creado a partir de desechos orgánicos. Su material no sólo limpia el agua; lo hace con una capacidad que rivaliza con los adsorbentes comerciales mucho más caros y, al mismo tiempo, da una segunda vida a los residuos del procesamiento de cítricos.
El mundo produce más de 700.000 toneladas de tintes sintéticos al año y aproximadamente el 10% termina en ríos y arroyos a pesar de los esfuerzos de tratamiento. Incluso en concentraciones de alrededor de 1 miligramo por litro (una sola gota en una bañera), los tintes decoloran visiblemente el agua, bloquean la luz solar que las plantas acuáticas necesitan para la fotosíntesis y, en algunos casos, se descomponen en compuestos que dañan el hígado y el sistema nervioso. Las regulaciones europeas ahora exigen que las concentraciones de tinte se mantengan por debajo de 0,05 miligramos por litro en las aguas residuales vertidas, un objetivo que las plantas de tratamiento convencionales luchan por cumplir. Ingrese la adsorción: usar materiales de carbono porosos para atrapar contaminantes como una esponja molecular.
Los residuos de piel de naranja presentan su propio dolor de cabeza. La cosecha anual de cítricos en China supera los 45 millones de toneladas, y las plantas procesadoras descartan casi la mitad de la masa de cada fruta (principalmente cáscara) en vertederos o la queman. Ambas opciones desperdician un material que es sorprendentemente adecuado para fabricar carbón activado, con su estructura fibrosa natural y abundancia de grupos químicos que contienen oxígeno.
El equipo de Zhang trató el polvo de cáscara de naranja con cloruro de zinc y cloruro de hierro antes de calentarlo a 500°C en una atmósfera libre de oxígeno. El compuesto de zinc actúa como un activador químico, esencialmente devorando la estructura del carbono para crear una red de poros a nanoescala. Mientras tanto, las partículas de hierro se forman y se dispersan por todo el material, proporcionando sitios activos donde las moléculas de tinte pueden adherirse mediante enlaces químicos. El resultado es lo que los investigadores llaman Fe/Zn-OPBC500: un biocarbón jerárquicamente poroso con una superficie mucho mayor que el material no tratado.
La actuación es sorprendente. Las pruebas con azul de metileno (un tinte industrial común utilizado en todo, desde textiles hasta tintes biológicos) mostraron que el material podía absorber 237,53 miligramos de tinte por gramo de biocarbón. Eso equivale aproximadamente a cada gramo que limpia el agua contaminada de una bañera. Más importante aún, logró una tasa de eliminación del 96,8 % en una hora y conservó una capacidad significativa incluso después de lavarlo y reutilizarlo siete veces. El material también mantuvo un sólido rendimiento en un amplio rango de pH y en presencia de sales disueltas que normalmente interfieren con la eliminación del tinte.
Lo que hace que el material sea tan eficaz es la interacción entre su estructura y su química. El proceso de activación dual crea poros que se extienden desde cavidades microscópicas hasta canales de sólo nanómetros de ancho, aumentando el área de superficie más de 16 veces en comparación con el biocarbón no modificado. Los sitios a base de hierro repartidos por todas partes proporcionan múltiples formas de captar moléculas de tinte: atracción electrostática entre grupos de hierro y oxígeno cargados negativamente y tintes cargados positivamente, enlaces químicos entre los átomos de hierro y nitrógeno en el tinte, enlaces de hidrógeno con grupos que contienen oxígeno e interacciones de apilamiento pi-pi entre anillos de carbono aromáticos.
“El biocarbón tradicional a menudo adolece de una capacidad de adsorción limitada o de una mala reciclabilidad”, afirma Zhang. “Nuestra estrategia de modificación sinérgica resuelve estos desafíos integrando la ingeniería estructural con el diseño de la química de superficies, lo que da como resultado una alta eficiencia y durabilidad”.
El enfoque aborda un problema persistente en la investigación del biocarbón: los materiales optimizados para su superficie a menudo carecen de reactividad química, mientras que aquellos con abundantes sitios reactivos pueden tener un desarrollo deficiente de los poros. Al combinar dos métodos de activación, el equipo creó un material que no compromete ninguno de los dos frentes. La temperatura de pirólisis de 500°C resultó óptima; Las temperaturas más altas aumentaron ligeramente el área de superficie pero destruyeron demasiados de los grupos funcionales que contienen oxígeno necesarios para la unión del tinte.
Las pruebas de adsorción competitivas revelaron la selectividad del material. Los iones de sodio apenas afectaron el rendimiento, mientras que los iones de calcio y hierro redujeron la capacidad de manera más sustancial al competir por los sitios de unión. Los iones de fosfato interfirieron moderadamente al unirse a los sitios de hierro, pero el bicarbonato en realidad ayudó ligeramente al amortiguar el pH de la solución. Después de siete ciclos de lavado y reutilización con ácido clorhídrico diluido para eliminar los tintes capturados, el material aún conservaba una capacidad superior a 113 miligramos por gramo.
El trabajo demuestra cómo los flujos de desechos agrícolas podrían redirigirse hacia la remediación ambiental. “Nuestros hallazgos proporcionan una hoja de ruta para diseñar materiales de carbono de próxima generación a partir de biomasa renovable”, afirma Zhang. “Con una mayor ampliación y optimización, este enfoque podría contribuir a sistemas de agua más limpios y al mismo tiempo reducir los desechos agrícolas”. Más allá de la eliminación de tintes, los investigadores creen que biocarbón diseñado de forma similar podría atacar otros contaminantes industriales, ampliando potencialmente las aplicaciones en el tratamiento de aguas residuales y la recuperación de recursos.
Enlace del estudio: https://www.maxapress.com/article/doi/10.48130/bchax-0026-0001
Aquí no hay muro de pago
Si nuestros informes lo han informado o inspirado, considere hacer una donación. Cada contribución, sin importar el tamaño, nos permite continuar brindando noticias médicas y científicas precisas, atractivas y confiables. El periodismo independiente requiere tiempo, esfuerzo y recursos; su apoyo garantiza que podamos seguir descubriendo las historias que más le importan.
Únase a nosotros para hacer que el conocimiento sea accesible e impactante. ¡Gracias por estar con nosotros!