Tratamiento de agua: La luz ayuda a descomponer las hormonas

Sistema de filtración membranosa fotocatalítica con simulador solar. Las membranas están recubiertas de dióxido de titanio. (Foto: Markus Breig, KIT)

En las microcontaminaciones en el agua, a menudo se encuentran hormonas que se acumulan en el medio ambiente y pueden afectar negativamente a las personas y animales. Investigadores del Instituto de Tecnología de Karlsruhe (KIT) y del Instituto Leibniz de Modificación de Superficies (IOM) en Leipzig han desarrollado un método para la descomposición fotocatalítica de estas contaminaciones en el flujo a través de membranas de polímero y lo han presentado en la revista Nature Nanotechnology. Mediante la irradiación con luz, que provoca una reacción química, se descomponen las hormonas esteroides en las membranas recubiertas de dióxido de titanio.

En todos los lugares donde viven personas, las hormonas, como las que se utilizan en medicamentos anticonceptivos y en la agricultura, llegan a las aguas residuales. Hormonas esteroides como las hormonas sexuales y los corticosteroides pueden acumularse en el medio ambiente y afectar negativamente a las personas y animales, alterando el desarrollo del comportamiento y la capacidad reproductiva. Por ejemplo, las hormonas sexuales pueden hacer que peces machos desarrollen características femeninas. Por eso, es aún más importante eliminar, además de otras microcontaminaciones, las hormonas del agua residual antes de que vuelvan al ciclo natural del agua, del cual se obtiene el agua potable. "Proveer a las personas con agua potable limpia es uno de los mayores desafíos actuales en todo el mundo", dice la profesora Andrea Iris Schäfer, directora del Instituto de Tecnología de Membranas Avanzadas (IAMT) del KIT. "Las sustancias químicas en pequeñas cantidades representan una amenaza enorme para nuestro futuro, ya que afectan nuestra fertilidad y función cerebral."

Inspiración en la tecnología de células solares

Schäfer lleva años trabajando en el tratamiento del agua mediante nanofiltración. Para ello, utiliza membranas de polímero con poros de tamaño nanométrico. Sin embargo, la nanofiltración requiere altas presiones y consume mucha energía. Además, puede ocurrir que las microcontaminaciones se acumulen en los materiales de las membranas poliméricas y, poco a poco, pasen al agua filtrada. Incluso si se logra eliminar completamente la contaminación, se genera una corriente con contaminantes concentrados que debe ser tratada posteriormente.

Inspirada en la tecnología de células solares, en la que trabaja el profesor Bryce S. Richards, también en el KIT, Schäfer tuvo la idea de recubrir las membranas de polímero con dióxido de titanio y desarrollar membranas fotocatalíticas: nanopartículas de dióxido de titanio activas fotocatalíticamente se aplican sobre membranas de microfiltración, cuyas poros son un poco más grandes que en la nanofiltración. Mediante la irradiación con luz, que provoca una reacción química, las hormonas esteroides en las membranas se descomponen. Schäfer y su equipo en el IAMT del KIT, junto con colegas del Instituto Leibniz de Modificación de Superficies (IOM) en Leipzig, han llevado a cabo esta idea y han presentado la nueva tecnología en la revista Nature Nanotechnology.

Catalizador para el agua

"Hemos desarrollado, por así decirlo, un catalizador para el agua", resume Schäfer. Con las membranas de polímero fotocatalíticas, lograron eliminar las hormonas esteroides en un flujo continuo de modo que se alcanzó el límite de detección analítica de cuatro nanogramos por litro; los valores incluso se acercaron bastante a un nanogramo por litro, lo cual cumple con la nueva directriz de agua potable de la OMS. Los investigadores están trabajando para mejorar la tecnología, reducir el tiempo y el consumo de energía, y permitir el uso de luz natural. Pero, sobre todo, la investigación futura se centrará en descomponer otros contaminantes mediante la fotocatálisis, como productos químicos industriales como las sustancias per- y polyfluoroalkyl (PFAS) o pesticidas como el glifosato. Otro desafío es escalar la tecnología a mayor tamaño."

Publicación original

Shabnam Lotfi, Kristina Fischer, Agnes Schulze y Andrea I. Schäfer: Degradación fotocatalítica de micropollutantes de hormonas esteroides mediante membranas de poliéster sulfonado recubiertas de TiO2 en un proceso de flujo continuo. Nature Nanotechnology, 2022. DOI: 10.1038/s41565-022-01074-8

Resumen en https://www.nature.com/articles/s41565-022-01074-8

Sobre el trasfondo de la publicación: https://engineeringcommunity.nature.com/posts/catalyst-for-water-removing-steroid-hormone-micropollutants-in-flow-through-photocatalytic-membrane