El poder disponer de agua potable es una parte vital de la vida cotidiana. La desinfección del agua es un proceso esencial para eliminar microorganismos patógenos como bacterias, virus y protozoos, asegurando su seguridad para consumo humano o reutilización.
En los países en desarrollo, sin embargo, no se dispone de agua potable fácilmente en todas partes. La mayoría de las afecciones gastrointestinales suceden en áreas rurales de los países en desarrollo, donde no es común disponer de fuentes de agua potable. Se calcula que más del 80% de las enfermedades detectadas en estos países están relacionadas con el consumo de agua insalubre.
Diarreas, malaria, parasitosis o hepatitis A son algunas de las causas de contaminación biológica del agua por bacterias, parásitos o virus. Además, otras contaminaciones químicas se relacionan con los vertidos industriales, que podrían causar intoxicaciones agudas, pero también enfermedades a medio y largo plazo. Por todo ello resulta de vital importancia el control de la contaminación y la calidad del agua mediante programas integrales de potabilización y saneamiento, así como una correcta gestión de los recursos hídricos que aseguren una adecuada salubridad en el agua de consumo.
Qué es la desinfección fotosensibilizada del agua
Esta comunicación ofrece una visión general de las investigaciones sobre los procedimientos de desinfección de agua basados en el empleo de oxígeno singlete, especie con acción bactericida que puede generarse de forma catalítica mediante fotosensibilización.
Los avances conseguidos se basaron en la utilización de la luz del sol para generar fotocatalíticamente radicales hidroxilo y especies reactivas de oxígeno (singletes) con vistas a eliminar la toxicidad del agua contaminada y desinfectarla.
El proyecto AQUACAT ha creado un tratamiento para la desinfección del agua que usa oxígeno singlete como agente bactericida. Esta tecnología se basa en la luz solar, que genera radicales de hidroxilo y oxígeno singlete, un tipo de molécula de oxígeno muy reactiva capaz de matar bacterias. De este modo se puede utilizar la luz solar para purificar agua de consumo contaminada.
Los fotosensibilizadores son compuestos químicos que se someten a fotoexcitación antes de que transfieran su energía a otras moléculas, consiguiendo así que la muestra reactiva sea más sensible a la luz.
Cómo actúan el oxígeno singlete y los radicales hidroxilo
La utilización del oxígeno singlete es fundamental porque tiene la capacidad de inactivar las bacterias, ya que puede reaccionar con las proteínas y los lípidos presentes en las membranas biológicas.
La presentación comienza con una revisión de los tratamientos existentes actualmente para la desinfección del agua, destacando las ventajas y los inconvenientes o limitaciones que caracterizan a algunos de ellos. Se introducen, a continuación, las propiedades del oxígeno singlete y su reactividad hacia las moléculas que componen los sistemas biológicos, ya que en ella radica la acción germicida de esta especie reactiva de oxígeno.
Una vez descrito el procedimiento de generación de oxígeno singlete mediante fotosensibilización, se muestran diversas estructuras de moléculas empleadas frecuentemente como fotosensibilizadores de oxígeno singlete.
Los POA son tecnologías que generan radicales hidroxilo(·OH), moléculas extremadamente reactivas capaces de degradar contaminantes orgánicos y eliminar microorganismos resistentes.
Generación fotocatalítica de especies reactivas
Los fotocatalizadores son equipos que aplican el proceso de fotocatálisis, también denominado catálisis fotónica, basado en las propiedades del dióxido de titanio.
La fotocatálisis es un proceso de transferencia de electrones que utiliza el dióxido de titanio activado mediante luz, hasta ahora ultravioleta, para el tratamiento de agua contaminada.
El efecto biocida representa una revolución para desinfectar agua, ya que se basa en procesos físicos y no en agentes químicos tradicionales como cloro, de los que está exento.
El sistema desarrollado consiste en fibras de óxido de titanio a las que se introduce nitrógeno para que absorban la luz visible. El óxido de titanio dopado con nitrógeno (nombre que recibe la técnica que se usa en este campo, ya que traslada impurezas a un material para modificar su comportamiento) es capaz por sí solo de eliminar bacterias, aunque no de manera eficiente.
Sin embargo, este grupo de investigadores ha añadido paladio a la superficie de las fibras, un aspecto que aumenta el rendimiento de la desinfección.
Cuando la luz incide sobre este material de óxido de titanio con nitrógeno y paladio crea cargas positivas y negativas (electrones). Las cargas positivas reaccionan con el agua y crean radicales capaces de atacar a las bacterias.
El paladio secuestra los electrones e impide que estos neutralicen las cargas positivas, por lo que aumenta la potencia del proceso.
Fotosensibilizadores empleados en el tratamiento
El proyecto AQUACAT desarrolló nuevos tipos de fotosensibilizadores.
Los investigadores incubaron muestras de agua en presencia de irradiación visible y en la oscuridad. Las muestras contenían los microorganismos E. coli y E. faecalis, así como distintas formas de fotosensibilizadores.
Los datos mostraron que el fotosensibilizador RSD4 no era efectivo en cuanto a eliminar los microorganismos del agua en la fase homogénea. Esto se debía a la naturaleza aniónica (con carga negativa) de la membrana biológica y del fotosensibilizador RSD4.
En contraste, se observó que, incluso en concentraciones muy bajas en la fase homogénea, el complejo RPD2+ logró desinfecciones muy eficaces.
Fotosensibilizadores de rutenio
El uso de fotosensibilizadores de Ru (II) también cuenta con muchas características prometedoras.
Posee una gran capacidad de absorción de la luz y largos tiempos de vida del estado excitado para que haya tiempo suficiente para la desactivación por colisión con las moléculas de oxígeno.
Materiales de soporte
La silicona porosa tiene muchas ventajas: su gran permeabilidad al oxígeno, que permite una interacción fácil con los microorganismos para lograr la desinfección; su buena estabilidad mecánica, térmica y química; y propiedades ópticas favorables.
El uso de materiales de soporte puede facilitar la interacción entre el oxígeno, el fotosensibilizador y los microorganismos, además de contribuir a la estabilidad mecánica, térmica y química del sistema.
Desinfección con luz solar visible
Desinfectar agua sin ningún producto químico, de manera ecológica, rápida y efectiva, sólo con la luz del sol. Éste es un sueño para muchos, sobre todo, para quienes por vivir en países en desarrollo ven muy limitado su acceso al agua potable purificada.
Un equipo multidisciplinar de investigadores ha conseguido este reto a partir de una tecnología anterior para desinfectar agua, mediante fotocatalizadores, pero que sólo utilizaba luz ultravioleta. El sistema se ha optimizado con el uso de luz visible, mucho más abundante, y permite desinfectar incluso en la oscuridad.
Era ya un hecho conocido que la incidencia de desinfección de agua para excursionistas y montañeros integran esta tecnología. Sobre esta base, grupos de investigadores habían desarrollado fotocatalizadores activados por rayos UV para desinfectar agua, sobre todo, cuando los métodos tradicionales era inviables.
Estos sistemas gozan de la categoría de ecológicos, ya que en ellos no intervienen sustancias químicas potencialmente contaminantes. Sin embargo, resultaban poco eficientes en cuanto al aprovechamiento de la luz solar, ya que la radiación ultravioleta de la que se nutren supone apenas un 5% del espectro frente al 46% del visible, según especifican estos investigadores.
| Fuente de radiación | Característica indicada |
|---|---|
| Radiación ultravioleta | Supone apenas un 5% del espectro |
| Luz visible | Supone el 46% del espectro |
Actividad durante la noche
Cuando la luz se apaga, las partículas de paladio sueltan poco a poco su carga almacenada, que reacciona de nuevo con el agua y crea más agentes activos.
De esta manera, el fotocatalizador desinfecta con gran eficacia durante el día y funciona de noche e, incluso, durante periodos de corte eléctrico.
Los fotocatalizadores tradicionales dejan de trabajar casi de manera instantánea cuando se apaga la luz, pero los nuevos dispositivos siguen su actividad durante muchas horas, incluso tras sólo unos minutos de iluminación.
El experimento también se realizó en la oscuridad y se comprobó la capacidad de desinfección del fotocatalizador en ausencia de luz. Para ello, hicieron brillar ésta sobre las fibras durante 10 horas, en una simulación de la exposición diurna, y después las almacenaron en oscuridad.
Al cabo de 24 horas, el fotocatalizador todavía operaba y eliminaba bacterias en ausencia de luz.
SODIS: MÉTODO DE DESINFECCIÓN DE AGUA | TODAS LAS SECCIONES
Resultados experimentales de la fotocatálisis
Para comprobar su eficacia, los expertos en ciencias de los materiales de la Universidad de Illinois colocaron el fotocatalizador en una solución con una alta concentración de «E.coli», enfocada con una lámpara halógena en diferentes intervalos de tiempo.
En una hora, el fotocatalizador fue capaz de reducir la concentración bacteriana de 10 millones de células a una sola en un volumen de 10.000 litros.
Como ventaja añadida, dada la rapidez de desinfección del sistema, este fotocatalizador es capaz de limpiar grandes volúmenes de agua.
Reactores solares y aplicación sobre el terreno
La desinfección del agua se realizó con éxito a la escala de veinte a cuarenta litros diarios utilizando dos fotorreactores solares que incorporaban material fotosensibilizador.
Se iniciaron pruebas sobre el terreno en Argentina, México y Perú a fin de demostrar la aplicabilidad de esta tecnología para la desinfección del agua en poblaciones rurales.
El desarrollo e implantación de sistemas de desinfección de agua basados en la utilización de recursos naturales como la luz solar son un gran avance en la obtención de agua purificada, sobre todo en los países en desarrollo, donde el acceso a otras fuentes de energía o a los productos químicos está muy limitado.
Comparación con otros métodos de desinfección
Los métodos tradicionales de desinfección implican la utilización de productos químicos como el cloro, el calor (ebullición) o la filtración o una mezcla de estos sistemas.
Los métodos de desinfección del agua potable utilizando agentes oxidantes fotosensibilizantes se utilizan desde hace tiempo pero implican algunas desventajas, como la formación de subproductos de la desinfección o la toxicidad derivada del catalizador.
Sin embargo, a pesar de su alta eficacia, crece la evidencia de que las nanopartículas pueden ser un peligro para el agua que desinfectan, por sus potenciales propiedades carcinógenas y citotóxicas.
Radiación ultravioleta
La desinfección ultravioleta (UV) es hoy en día uno de los métodos más utilizados para eliminar microorganismos patógenos del agua sin añadir productos químicos.
Los equipos de desinfección UV emiten radiación ultravioleta a una longitud de onda de 254 nanómetros, que es la más efectiva para dañar el ADN de los microorganismos.
El Real Decreto 3/2023, que establece los criterios técnico-sanitarios de la calidad del agua de consumo, permite expresamente la desinfección UV como método válido de tratamiento.
La combinación de UV con cloración reducida es cada vez más habitual en piscinas públicas y spas.
La UV se instala habitualmente antes o después de la membrana de ósmosis para garantizar la calidad microbiológica del agua permeada.
- Sin efecto residual: la UV no deja cloro u otro agente activo en el agua.
- Sensible a la turbidez: sólidos en suspensión, hierro o turbidez elevada protegen a los microorganismos de la radiación.
- No elimina contaminantes químicos: nitratos, metales pesados, cal o pesticidas no son afectados por la UV.
- Requiere suministro eléctrico continuo: cualquier corte de luz interrumpe la desinfección.
- Sustitución de lámpara: cada 8.000-12.000 horas de funcionamiento.
Las lámparas UV tienen una vida útil de entre 8.000 y 12.000 horas de funcionamiento continuo, lo que equivale aproximadamente a un año de uso ininterrumpido. Aunque la lámpara puede seguir encendida pasado ese periodo, su eficacia germicida disminuye significativamente.
Una turbidez elevada (por encima de 1 NTU para agua potable) reduce drásticamente la eficacia de la desinfección UV porque las partículas en suspensión actúan como escudo para los microorganismos.
La desinfección UV está expresamente permitida por el Real Decreto 3/2023 para el tratamiento de aguas de consumo humano procedentes de captaciones privadas.
La desinfección UV actúa exclusivamente sobre microorganismos. No elimina dureza (cal), nitratos, metales pesados ni ningún contaminante químico.
Procesos de oxidación avanzada
Radiación UV + Peróxido de Hidrógeno (H₂O₂): La luz UV descompone el peróxido en radicales hidroxilo, mejorando la oxidación de contaminantes.
Fotocatálisis con Dióxido de Titanio (TiO₂) + UV: La radiación UV activa el TiO₂, produciendo radicales que degradan contaminantes.
El ácido hipocloroso (HClO) es un desinfectante altamente efectivo y seguro para el tratamiento de agua potable y aguas residuales.
Fotocatalizador basado en una proteína
Investigadores de la Universidad de Cincinnati (EEUU) han desarrollado un fotocatalizador basado en una proteina, que utiliza la luz para generar peróxido de hidrógeno, y que destruye las bacterias, como E.
La proteína diseñada, a la que han llamado StrepMiniSOG, se une a los patógenos a los que está dirigida mediante anticuerpos especificos de éstos, de modo que cuando el fotocatalizador aplicado se expone a la luz, genera peróxido de hidrógeno y mata al patógeno.
Fuente: Wurtzler EM, Wendell D (2016) Selective Photocatalytic Disinfection by Coupling StrepMiniSog to the Antibody Catalyzed Water Oxidation Pathway. PLoS ONE 11(9): e0162577.
Ventajas y limitaciones de la tecnología fotosensibilizada
Ventajas principales
- Utiliza la luz solar como fuente de energía.
- Puede generar oxígeno singlete y radicales hidroxilo con acción bactericida.
- Permite reducir o evitar el uso de productos químicos tradicionales.
- El empleo de luz visible mejora el aprovechamiento del espectro solar.
- Algunos fotocatalizadores mantienen su actividad durante la oscuridad.
- La rapidez de desinfección permite tratar grandes volúmenes de agua.
- La silicona porosa ofrece gran permeabilidad al oxígeno.
- La silicona porosa presenta buena estabilidad mecánica, térmica y química.
- Los fotosensibilizadores de Ru (II) poseen una gran capacidad de absorción de la luz.
- Los fotosensibilizadores de Ru (II) presentan largos tiempos de vida del estado excitado.
Aspectos que deben controlarse
- La formación de subproductos de la desinfección.
- La posible toxicidad derivada del catalizador.
- El peligro potencial de algunas nanopartículas para el agua desinfectada.
- Las potenciales propiedades carcinógenas y citotóxicas de determinadas nanopartículas.
- La necesidad de evaluar la estabilidad del material fotosensibilizador.
- La necesidad de comprobar la eficacia frente a los microorganismos presentes en cada agua.
Líneas de investigación
Finalmente, tras comentar algunos aspectos de las investigaciones publicadas por diversos autores sobre el empleo de oxígeno singlete como agente desinfectante, se presentan los estudios actualmente llevamos a cabo en nuestro grupo de investigación del Laboratorio de Fotoquímica Aplicada (Universidad Complutense de Madrid, España).
Laboratorio de Fotoquímica Aplicada, Departamento de Química Orgánica, Facultad de Química, Universidad Complutense de Madrid.
Los trabajos sobre fotosensibilización estudian la generación de oxígeno singlete, la reactividad de esta especie con las moléculas de los sistemas biológicos, las estructuras de las moléculas fotosensibilizadoras y la aplicación del proceso como agente desinfectante.
La presentación comienza con una revisión de los tratamientos existentes actualmente para la desinfección del agua, destacando las ventajas y los inconvenientes o limitaciones que caracterizan a algunos de ellos.
Se introducen, a continuación, las propiedades del oxígeno singlete y su reactividad hacia las moléculas que componen los sistemas biológicos, ya que en ella radica la acción germicida de esta especie reactiva de oxígeno.
Una vez descrito el procedimiento de generación de oxígeno singlete mediante fotosensibilización, se muestran diversas estructuras de moléculas empleadas frecuentemente como fotosensibilizadores de oxígeno singlete.
Importancia para la seguridad hídrica
Las enfermedades relacionadas con el consumo de agua contaminada es una de las principales causas de mortalidad en los países en desarrollo, sobre todo, entre los niños.
Se calcula que más de 2.500 millones de personas viven sin un sistema de saneamiento de agua adecuado.
El desarrollo e implantación de sistemas de desinfección de agua basados en la utilización de recursos naturales como la luz solar son un gran avance en la obtención de agua purificada, sobre todo en los países en desarrollo, donde el acceso a otras fuentes de energía o a los productos químicos está muy limitado.
Este año, con motivo de la celebración del Día Mundial del Agua el pasado 22 de marzo, se lanzó desde las instituciones el eslogan «Agua limpia para un mundo sano», que resume el estrecho vínculo entre ambos conceptos y reivindica que el agua es vida y que las vidas dependen de la calidad del agua que se consume.
tags: #desinfeccion #aguas #fotosensibilizadores
Publicaciones populares:
- Guía de compra del purificador de aire Fujitsu
- Purificación del níquel: proceso Mond explicado
- ¿Puedo añadir cloro mientras la depuradora está encendida?
- Filtro de aire acondicionado Skoda Octavia Tours: guía de cambio
- Composición de Depur Star Forte