Como ya se ha visto, el agua es una de las necesidades básicas para nuestra supervivencia. Hoy en día este recurso se ha convertido en una de las mayores preocupaciones, sobre todo teniendo en cuenta que se cree que si seguimos a este ritmo la huella hídrica del planeta aumentará tanto que en el futuro habrá muchos países que no podrán disponer de agua potable.
Por ello, desde hace unos años, científicos e ingenieros de todo el mundo intentan desarrollar nuevas tecnologías que nos ayuden a recuperar el agua con contaminantes o incluso purificar el agua del mar para que sea apta para el consumo humano. Entre estas tecnologías se encuentran los aparatos deshumidificadores del aire y los sistemas de purificación basados en nanopartículas, membranas y materiales capaces de retener o degradar contaminantes a escala molecular.
Deshumidificadores que producen agua a partir del aire
Entre algunas de estas tecnologías se encuentran los aparatos deshumidificadores del aire, aparatos como Watermill tienen la función de humidificar o secar el aire absorbiendo o expulsando agua al ambiente.
Estos sistemas nos permiten obtener una fuente inagotable de agua obtenida del aire. Básicamente es algo así como una fuente mágica de agua purificada: es un deshumidificador que absorbe la humedad ambiental exterior y la condensa en un depósito, utilizando un filtro y luz ultravioleta para esterilizarla y hacerla potable.
Una diferencia frente a otros sistemas sería que Watermill utiliza el aire del exterior, que supuestamente es mucho más puro que el del interior de un hogar.
Realmente es una tecnología bastante sencilla, funciona de una manera muy similar a los aires acondicionados. Sin embargo, como ya se ha visto en algunas pruebas realizadas, el agua procedente de Watermill aún no es del todo apta para el consumo humano.
Por ejemplo, casos como los de las personas que viven en la ciudad no podrían utilizarlo debido a la gran contaminación presente en los núcleos urbanos. La calidad del agua obtenida depende, por tanto, de la calidad del aire que entra en el equipo y de la eficacia de las etapas de filtración, esterilización y almacenamiento.
Producción, consumo energético y humedad ambiental
No sabemos cuánta energía precisa para generar un litro de agua, si bien el fabricante afirma que necesita poquísima, puesto que «Watermill toma mediciones del entorno cada 3 minutos para determinar el grado de humedad y autorregularse de modo de operar unos pocos grados bajo ese indicador, y de este modo aumentar al máximo su eficacia energética».
Puede producir nada menos que hasta 12 litros de agua al día y se espera una versión que obtenga energía a través de un panel solar o una turbina de viento, así que prácticamente podrías llevar agua potable a cualquier lugar al que vayas.
En zonas en donde el nivel de humedad del aire se ubique bajo el treinta por ciento, Watermill no va a ser rentable. Tampoco se conocen aún sus posibles impedimentos.
| Aspecto | Dato o condición |
|---|---|
| Fuente de agua | Humedad ambiental exterior |
| Tratamiento | Filtro y luz ultravioleta |
| Producción máxima indicada | Hasta 12 litros de agua al día |
| Control del equipo | Mediciones del entorno cada 3 minutos |
| Limitación de humedad | Menos del treinta por ciento |
Obviamente, la crisis de los recursos hídricos está produciendo muchas oportunidades de negocio. WaterMill se enmarca en esa línea de productos orientados a usuarios cada vez más preocupados por la cantidad y calidad del agua que toman.
Por qué un deshumidificador no basta para garantizar agua potable
La condensación permite recuperar agua presente en el aire, pero no elimina automáticamente todos los contaminantes. El aire urbano puede contener sustancias que deben ser retenidas antes de que el agua se considere adecuada para el consumo.
La luz ultravioleta puede utilizarse para esterilizar, pero la potabilización depende también de la eliminación de partículas, compuestos químicos, metales, pesticidas y otros contaminantes. Por eso, un sistema de este tipo necesita combinar captación, condensación, filtración, desinfección y control de calidad.
La tecnología puede resultar útil en determinadas condiciones de humedad y calidad ambiental, pero no debe considerarse una solución universal. La disponibilidad de agua, el consumo energético, el mantenimiento de los filtros y la verificación de la calidad final son factores esenciales.
Nanotecnología aplicada a la purificación del agua
La nanotecnología se ha convertido en una herramienta clave en la lucha para resolver la crisis global del agua. Esta tecnología permite eliminar contaminantes a nivel molecular, optimizando los procesos de tratamiento y ofreciendo soluciones más sostenibles.
La nanotecnología involucra el diseño, manipulación y uso de materiales y dispositivos en una escala extremadamente pequeña, a nivel de átomos y moléculas. A estas diminutas escalas, las propiedades de los materiales pueden cambiar significativamente, lo que abre la puerta a aplicaciones innovadoras en varios campos. Estos incluyen la purificación del agua.
Si pudiéramos coger los átomos con nuestras manos, seríamos capaces de crear realidades muy distintas dependiendo de cómo los combináramos. Como cuando ordenamos letras para crear palabras y significados; las letras son las mismas y es su combinación lo que crea palabras nuevas. La nanotecnología tiene la capacidad de cambiar la realidad porque opera a una escala atómica y molecular.
El desarrollo de sistemas de purificación de agua basados en nanotecnología representa una oportunidad única para mejorar la calidad de vida.
Membranas de grafeno y nanotubos de carbono
Filtración molecular mediante grafeno
Uno de los avances más notables en nanotecnología es el desarrollo de sistemas de filtración por membranas. Utilizando nanomateriales como el óxido de grafeno y los nanotubos de carbono, estos sistemas crean membranas ultrafinas con capacidades únicas para filtrar contaminantes a nivel molecular.
Este tipo de filtros utilizan grafeno y consisten en una capa de átomos de carbono -una capa monoatómica- dispuestos en forma hexagonal. El grafeno no solamente es fácil y barato de fabricar. Es, además, muy flexible y no resulta tóxico.
Varios estudios recientes presentan este material como una nueva promesa para la nanofiltración. El grafeno tradicional, de una sola capa y sin grupos funcionales, es impermeable, es decir, el agua no lo puede atravesar.
Pero mediante diversas técnicas es posible conseguir que sea selectivamente permeable al agua introduciendo poros. También se pueden añadir grupos funcionales o modificar su superficie para que este filtro de grafeno deje pasar el agua, pero reteniendo aquellas sustancias que no interesa que se filtren.
A través de los poros, el agua sí podría pasar por la membrana. Esta teoría puede tener aplicaciones reales para el uso de la nanotecnología para purificar el agua.
Un ejemplo de este tipo de tecnología es el de los investigadores del grupo de manipulación atómica y espectroscopía del Instituto Catalán de Nanociencia y Nanotecnología (ICN2). De esta manera, han conseguido que el grafeno, que a priori es impermeable, deje de serlo para el agua, pero que siga reteniendo otras partículas que se encuentran en ella y que no deben filtrarse.
El grafeno es una gran promesa para muchos campos, como la tecnología móvil, pero también lo es para el mundo de los filtros. Gracias a que es una membrana con un tamaño y una densidad de poro modificable a escala atómica, potencialmente puede llegar a todo el mundo.
Nanotubos de carbono y retención de contaminantes
Un equipo de investigadores de la Universidad de Viena está realizando investigaciones sobre este tema y ha desarrollado un método llamado «muestreo pasivo», que permite la medición de la afinidad de una categoría de contaminantes cancerígenos, los hidrocarburos aromáticos policíclicos (HAP), a los nanotubos de carbono.
Los problemas derivados de la saturación de los filtros podrían reducirse utilizando nanotubos de carbono, ya que estos poseen una gran área de superficie -por ejemplo, 500 m² por gramo de nanotubo- y, por lo tanto, una gran capacidad para retener los contaminantes.
Otro de los aspectos investigados por los científicos es el fenómeno de la competencia entre los contaminantes. Si la competencia se produce, significa que un contaminante puede no adjuntarse a los nanotubos de carbono si coexisten competidores mejores.
Pruebas realizadas con técnicas clásicas, con concentraciones relativamente altas, mostraban que la competencia puede ser muy fuerte cuando coexisten tres HAP con los nanotubos de carbono.
Las tecnologías innovadoras siempre vienen con ventajas y desventajas para los humanos y el medio ambiente. En este caso, la capacidad de retener contaminantes debe analizarse junto con la saturación del material, la regeneración del filtro y el destino de los contaminantes retenidos.
Desinfección con nanopartículas
Las nanopartículas han demostrado ser herramientas efectivas para la desinfección del agua. Debido a su tamaño diminuto pueden aprovechar muy bien las propiedades antimicrobianas. Esto las convierte en una opción viable para eliminar patógenos de manera eficiente y sostenible.
Por ejemplo, hay un sistema de desinfección que utiliza nanopartículas de plata. Este sistema libera iones de plata en el agua, eliminando eficazmente bacterias y virus sin la necesidad de productos químicos adicionales.
La desinfección, sin embargo, constituye solo una parte del tratamiento. Un agua puede estar libre de determinados microorganismos y conservar contaminantes químicos, metales, pesticidas o compuestos farmacéuticos que también deben evaluarse.
Recubrimientos autolimpiantes para filtros
La eficiencia de los sistemas de tratamiento de agua depende en gran medida de su mantenimiento. La nanotecnología ha introducido recubrimientos autolimpiantes que ayudan a mantener estos sistemas libres de bioincrustaciones y otros contaminantes.
AquaClear, una empresa emergente, ha desarrollado un nanorrecubrimiento que se aplica a las membranas de filtración. Este recubrimiento crea una superficie superhidrófila que repele la materia orgánica, evitando la acumulación de contaminantes y reduciendo así la necesidad de limpiezas frecuentes.
La reducción de la acumulación de materia orgánica puede prolongar el funcionamiento de una membrana y disminuir las intervenciones de mantenimiento. Aun así, el comportamiento del recubrimiento debe verificarse según la composición del agua y las condiciones de operación.
Tratamiento fotocatalítico con nanomateriales
La fotocatálisis es una técnica que utiliza la luz junto con un catalizador para descomponer contaminantes en el agua. En este ámbito, los nanomateriales como el dióxido de titanio (TiO2) juegan un papel decisivo.
Actúan como fotocatalizadores que generan especies reactivas capaces de degradar contaminantes orgánicos y eliminar bacterias, al absorber energía luminosa.
NanoWaterTech tiene un sistema de tratamiento que incorpora nanopartículas de TiO2 en una membrana. Al exponerse a la luz ultravioleta, estas nanopartículas generan especies reactivas que descomponen contaminantes orgánicos, desinfectan el agua y eliminan olores.
La colaboración con la Plataforma introduce un elemento importante para el funcionamiento de las nanopartículas: el sol. Como apunta Sixto Malato, químico, profesor de investigación en el Ciemat y especialista en descontaminación de agua mediante procesos de oxidación avanzada en la Plataforma Solar de Almería, «la luz -en este caso del sol- produce una reacción química sobre el hierro de las nanopartículas produciendo radicales oxidantes que hace que los contaminantes atrapados por los materiales con las nanopartículas se degraden».
El GRAFENO: un MATERIAL REVOLUCIONARIO para la producción de AGUA POTABLE
Nanopartículas sostenibles a partir de residuos del aceite de oliva
La startup española Smallops produce materiales para descontaminar el agua utilizando la nanotecnología a partir del alpechín, un residuo de la producción de aceite de oliva. Lo que potencialmente podría contaminar el agua puede ser una solución a la contaminación hídrica.
Existen varias iniciativas que utilizan la nanotecnología con el mismo objetivo. Lo que destaca de Smallops es que crea sus nanopartículas de manera sostenible y a partir de los residuos de la producción del aceite de oliva, en concreto del alpechín -líquido oscuro y fétido que resulta de la mezcla del agua utilizada para lavar las aceitunas y el agua de las propias aceitunas-.
Y lo hacen a través de un modelo único de economía circular con doble beneficio. El trabajo de Smallops responde a lo que se conoce como cleantech, tecnologías limpias que promueven la sostenibilidad y contribuyen a la descarbonización.
La apuesta por estas tecnologías cada vez es mayor. La previsión de la Agencia Internacional de la Energía (AIE), publicada en su informe Energy Technology Perspectives 2023, es que el mercado global para la tecnología verde moverá alrededor de 650.000 millones de dólares al año para 2030.
El problema del alpechín y el alperujo
La producción de aceite de oliva genera unos residuos altamente contaminantes para el agua si no se tratan antes de verterlos al sistema hidráulico público. Dichos residuos son el alpechín y el alperujo -mezcla del alpechín con el hueso, la pulpa, la piel y los restos grasos de la aceituna-.
Los residuos -o subproductos- suponen el 80% de lo extraído en la producción de aceite, siendo el 20% restante el propio aceite. El paso del sistema tradicional de prensa para producir el aceite a un método de centrifugación ha contribuido al aumento de los residuos en contrapartida a un mayor rendimiento en la extracción del aceite.
Ello requiere más capacidad para su gestión por parte de las almazaras -lugar donde se produce el aceite de oliva- y las orujeras -lugar donde se extrae el orujo, que es el aceite de inferior calidad extraído de la aceituna ya prensada y molida-.
Por cada litro de aceite se producen cinco litros de residuos. El alpechín y el alperujo, si no se tratan, son altamente contaminantes para el agua. El primero, gracias a la nanotecnología, puede ahora también depurarla.
En España, la contaminación de las aguas por la industria del aceite de oliva ya no es un problema como lo fue hasta hace unas décadas. Ahora, como apunta Manuel Juan Caravaca, presidente de la Asociación Española de Maestros y Operarios de Almazara, está muy regulado por la ley y todas las almazaras tienen balsas donde se acumulan los residuos.
Estos, tras los controles requeridos, a menudo se reutilizan para regar, por lo que Caravaca prefiere llamarlos subproductos.
Cómo se producen las nanopartículas OPS
Las OPS son las nanopartículas de hierro encapsuladas en una matriz de carbono. Para los lectores científicos es importante añadir que el carbono es estructural -amorfo y grafito- y el hierro es de valencia cero.
A los lectores no expertos quizá les interese más saber que el nombre OPS proviene de la mitología romana. OPS era una diosa de la fertilidad y la tierra, y en latín significa abundancia.
Son muchos los avances que se están haciendo en nanotecnología, pero los procesos de crear nanopartículas no siempre son sostenibles. En Smallops han conseguido crear las nanopartículas de hierro de manera sostenible a partir del alpechín.
La técnica utilizada es la carbonización hidrotermal. En lenguaje llano, se trata de calentar en un recipiente cerrado un líquido con un material orgánico -en este caso procedente del alpechín que Smallops obtiene de la empresa Troil Vegas Altas S. C., dedicada a gestionar los residuos de almazara-.
Imagínese una olla a presión. Al estar cerrada evita que se evapore el agua y la presión que se forma cuando se llega al punto de ebullición hace que los compuestos de carbono en el alpechín se descompongan en compuestos más pequeños.
Este método para la creación de nanopartículas es más sostenible que otros porque permite el aprovechamiento casi completo del carbono contenido en la materia orgánica o biomasa.
En otros procesos, la proporción de carbono rescatada de la biomasa es más baja y lo que no se rescata es emitido a la atmósfera en forma de dióxido de carbono (CO2) o de metano, ambos gases de efecto invernadero.
Polvo y malla para descontaminar el agua
Para poder utilizarlas para descontaminar las aguas, las nanopartículas se presentan en materiales con dos formatos, en polvo y en malla, siendo este último el que está presentando más ventajas.
Una vez creadas, las nanopartículas de hierro encapsulado en carbono tienen la capacidad de depurar el agua contaminada de metales, pesticidas y compuestos farmacéuticos y sulfurados.
El tamaño tan pequeño de las partículas favorece su contacto con los contaminantes en el agua, que se quedan adheridos a unos poros en su superficie.
Actualmente están en fase piloto y de experimentación, pero ya existen algunos resultados. A nivel operacional, la malla está presentando más ventajas que el polvo.
Es más versátil para quitar y poner, y se puede usar en lugares como tuberías, donde el polvo es fácil que se pierda. Además, la malla se puede lavar y reutilizar. Una desventaja es que su producción es más costosa.
| Formato | Características |
|---|---|
| Polvo | Puede perderse con facilidad en lugares como tuberías |
| Malla | Es más versátil, se puede quitar, poner, lavar y reutilizar |
| Principal desventaja de la malla | Su producción es más costosa |
Contaminantes estudiados y eficacia
En la fase de experimentación también se trata de comprobar la eficacia de los productos dependiendo de los contaminantes. Los experimentos se están centrando en cómo los productos reaccionan ante pesticidas, herbicidas, fármacos y la recuperación de metales de las aguas.
«Aunque haya productos que funcionen en general para todo, siempre van a funcionar mejor para ciertas cosas y en ciertos casos», afirma Escudero.
Otro resultado es que la malla funciona mejor con algunos contaminantes que con otros y que su eficacia depende del tratamiento utilizado.
«Lo que tenemos claro es que para fármacos, plaguicidas, herbicidas y pesticidas funciona muy bien aplicando el producto en un tratamiento de oxidación avanzada», añade Escudero.
Según los estudios realizados hasta ahora, las nanopartículas de Smallops consiguen eliminar el 50% de contaminantes como la cafeína, el fármaco diclofenaco y algunos plaguicidas en 120 minutos.
La luz -en este caso del sol- produce una reacción química sobre el hierro de las nanopartículas, produciendo radicales oxidantes que hacen que los contaminantes atrapados por los materiales con las nanopartículas se degraden.
Una innovación en México basada en óxidos de hierro
La doctora Patricia Amézaga Madrid, ganadora del Premio Ada Byron a la Mujer Tecnóloga en 2023, desarrolló en México una nanopartícula innovadora. Esta promete revolucionar el tratamiento de aguas residuales.
Esta nanopartícula permite una remoción del 99,5% de los contaminantes y tiene la capacidad de reducir en un 15% la generación de lodos tóxicos.
La nanopartícula está basada en óxidos de hierro, específicamente utilizando magnetita, con el objetivo de mejorar la eficiencia en el tratamiento de aguas residuales.
La Dra. Amézaga explicó que cada cristalito de la nanopartícula tiene un área superficial hueca. Esto permite que toda la superficie esté expuesta para absorber contaminantes menores a 200 nanómetros.
Para probar su eficacia llevó a cabo experimentos comparando el uso del coagulante sólido tradicional con la adición de sus nanopartículas.
Inicialmente, el coagulante solo logró remover el 88% de los sólidos en suspensión. Sin embargo, al agregar un miligramo de las nanopartículas, la eficiencia de remoción aumentó al 96%.
Con una mayor cantidad de nanopartículas, el porcentaje de remoción se elevó al 99,5%.
Asimismo, se probó que al reducir la cantidad de coagulante en un 10 o 15% y reemplazarlo con las nanopartículas se logra una mayor remoción de contaminantes. Asimismo, se observó una disminución significativa en la producción de lodos tóxicos.
A pesar de los prometedores resultados obtenidos, la Dra. Amézaga señaló que su investigación aún necesita ser probada a mayor escala en una planta de tratamiento en Chihuahua. Sin embargo, este paso requiere de una inversión que aún no se ha efectuado.
| Condición del tratamiento | Remoción indicada |
|---|---|
| Coagulante sólido tradicional | 88% de los sólidos en suspensión |
| Adición de un miligramo de nanopartículas | 96% |
| Mayor cantidad de nanopartículas | 99,5% |
| Reducción del coagulante | 10 o 15% |
| Reducción de lodos tóxicos | 15% |
Proyecto de la Universidad Nacional de Ingeniería para la crisis hídrica
Con el respaldo de Concytec y Sencico, investigadores de la Universidad Nacional de Ingeniería (UNI) han dado un paso trascendental en la lucha contra la crisis hídrica que afecta al Perú.
Según el ingeniero Luis Sánchez Rodas, líder del proyecto, esta solución podría cambiar el panorama del acceso al agua potable en el país.
Este desarrollo, financiado con una inversión de S/. 300 mil por Prociencia (Concytec) y Sencico, es el resultado del trabajo de un equipo multidisciplinario de siete investigadores comprometidos con ofrecer soluciones efectivas y sostenibles al problema del acceso al agua.
Contaminación del agua y necesidad de nuevas soluciones
La escasez no es el único problema que enfrentamos en relación con el agua. En España, la contaminación de aguas subterráneas se debe, principalmente, a los vertidos urbanos e industriales, a la infiltración de fertilizantes procedentes de la agricultura intensiva y a los excrementos del ganado.
Según el Informe sobre Calidad de las Aguas 2010-2022, publicado este año por el Ministerio para la Transición Ecológica y el Reto Demográfico, en 2022 el 33% de las estaciones de aguas subterráneas en España contenían más de 37,5 mg -máximo legal- de nitrato de origen agrario.
Los plaguicidas, debido al uso de productos fitosanitarios en la agricultura, también contaminan el agua y afectan sobre todo a las aguas superficiales, como ríos, lagos y embalses.
Estos problemas explican por qué las tecnologías de filtración, adsorción, desinfección y oxidación avanzada se investigan como soluciones complementarias para tratar aguas con contaminantes específicos.
Aplicaciones adicionales de las nanopartículas
Las OPS, además de para descontaminar el agua, tienen otras aplicaciones como la producción de biogás y biometano, limpiar corrientes gaseosas, mejorar productos agronómicos como los fertilizantes y mejorar nuevos materiales para la construcción y fibras textiles, entre otros.
La aplicación de la nanotecnología a la limpieza del agua es un claro ejemplo de innovación científica al servicio de los seres humanos. Nos recuerda cómo la innovación científica puede ayudarnos a resolver los retos del presente y asegurar un futuro mejor.
Desafíos para llevar estas tecnologías a zonas rurales
Uno de los principales desafíos en el desarrollo de sistemas de purificación de agua para zonas rurales es la accesibilidad y el costo de los materiales utilizados.
La nanotecnología ofrece la posibilidad de crear filtros y membranas más eficientes y duraderos, lo que se traduce en una mayor vida útil del sistema de purificación y, por lo tanto, en un menor costo a largo plazo.
Uno de los principales retos que enfrenta el desarrollo de sistemas de purificación de agua basados en nanotecnología para zonas rurales es la escala de producción y distribución.
Es fundamental garantizar que estos sistemas puedan fabricarse a gran escala y llegar a las comunidades rurales que más lo necesitan.
Para ello, es necesario establecer alianzas estratégicas con gobiernos, organizaciones no gubernamentales y empresas privadas para asegurar la implementación y sostenibilidad de estos sistemas a largo plazo.
En la actualidad, existen varios proyectos de investigación y desarrollo que están explorando el potencial de la nanotecnología en la purificación de agua para zonas rurales. Estos proyectos buscan optimizar los materiales y procesos para crear sistemas de purificación de agua más eficientes, económicos y sostenibles.
Escalabilidad, regulación y financiación
Actualmente están en fase piloto y de experimentación, pero ya existen algunos resultados. Escudero se muestra optimista con los avances hasta el momento y espera poder experimentar el producto a escala real en tres años.
Pero «para avanzar se necesita tiempo y financiación», dice Escudero.
Respecto a lo económico, cuentan con subvenciones I+D, colaboraciones con centros públicos como la Plataforma Solar de Almería y con su propia financiación.
Pero, como apunta Escudero, el mercado del agua en España es complicado para empresas como Smallops porque es un sector gestionado principalmente de manera pública, lo que implica licitaciones, concursos y plazos muy largos.
También la legislación es muy estricta y pone límites a las innovaciones que pueden hacer.
«Si la ley no dice que hay que eliminar nuevos contaminantes del agua, las empresas no van a invertir en ello a menos que lo necesiten para su propia actividad», señala Escudero.
La nanotecnología para limpiar el agua puede llevar agua potable a millones de personas, pero su aplicación requiere validar la seguridad, la durabilidad, la regeneración de los materiales, el consumo energético y la calidad del agua obtenida en condiciones reales.
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