Tratamiento de agua: Nanotubos capturan hormonas esteroides

En IAMT investiga la Dra. Siqi Liu la oxidación electroquímica y la separación por membranas para el tratamiento del agua. (Foto: IAMT, KIT)

Las hormonas esteroides son una de las contaminaciones microbianas más frecuentes en el agua. Dañan la salud humana y alteran el equilibrio ecológico de los cuerpos de agua. En el Instituto de Tecnología de Karlsruhe (KIT), investigadores han estudiado cómo funciona la descomposición de las hormonas esteroides en un reactor de membrana electroquímico con membranas de nanotubos de carbono. Determinaron que la adsorción de las hormonas esteroides en los nanotubos de carbono no limita su posterior descomposición. Los científicos informan sobre su estudio en Nature Communications (DOI: 10.1038/s41467-024-52730-7).

Proveer agua limpia a personas en todo el mundo es uno de los grandes desafíos del presente y del futuro. En las aguas residuales se encuentran diversas microcontaminaciones, es decir, sustancias orgánicas e inorgánicas que aparecen en concentraciones bajas, pero que aún así pueden afectar perjudicialmente a las personas y al medio ambiente. Los riesgos especiales provienen de sustancias con efectos endocrinos, es decir, que pueden afectar el sistema hormonal, como por ejemplo las hormonas esteroides. Estas son ampliamente utilizadas en medicamentos y anticonceptivos. En el agua, son difíciles de detectar, pero pueden afectar la salud humana y alterar el equilibrio ecológico de los cuerpos de agua.

La oxidación permite la descomposición de microcontaminantes

Con los métodos tradicionales de tratamiento de agua, no es posible detectar ni eliminar las hormonas esteroides. Como enfoque avanzado, la oxidación electroquímica (EO) es cada vez más reconocida: los sistemas EO constan de un ánodo y un cátodo, conectados a una fuente de energía externa. La energía eléctrica de los electrodos se modifica (modula), lo que conduce a una oxidación en la superficie del ánodo y a la descomposición de las contaminaciones. Los reactores de membrana electroquímica (EMR) aprovechan aún más las capacidades de la EO: utilizan una membrana conductora como electrodo de paso, lo que mejora el transporte de sustancias. Además, las áreas activas para las moléculas reaccionantes son completamente accesibles.

Los nanotubos de carbono poseen propiedades físicas y químicas únicas

Investigadoras del Instituto de Tecnología de Membranas Avanzadas (IAMT) del KIT, junto con científicos de la Universidad de California en Los Ángeles y de la Universidad Hebrea de Jerusalén, han aclarado los mecanismos aún poco comprendidos en los EMR: como informan en la edición especial «Water Treatment and Harvesting» de la revista Nature Communications, estudiaron la descomposición de microcontaminantes de hormonas esteroides en un EMR con membrana de nanotubos de carbono. Los nanotubos de carbono (Carbon Nanotubes, CNT) tienen diámetros en el rango nanométrico y poseen propiedades físicas y químicas únicas: «Su alta conductividad permite una transferencia eficiente de electrones», explica Andrea Iris Schäfer, profesora de Ingeniería de Procesos del Agua y directora del IAMT del KIT. «Gracias a su estructura nanométrica, los CNT tienen una superficie extraordinariamente grande y, por tanto, un potencial enorme para la adsorción de diversas sustancias orgánicas, lo que facilita las reacciones electroquímicas posteriores.»

En su estudio, las investigadoras analizaron con métodos analíticos de vanguardia la interacción compleja entre adsorción y desorción, reacciones electroquímicas y formación de subproductos en un EMR. «Hemos comprobado que la adsorción previa de las hormonas esteroides, es decir, su acumulación en la superficie de los CNT, no limita su posterior descomposición», informa la Dra. Siqi Liu, investigadora postdoctoral en el IAMT. «Lo atribuimos a una rápida adsorción y a un transporte efectivo de las sustancias.» El enfoque analítico del estudio también facilita la determinación de los factores limitantes en la descomposición de las hormonas y las condiciones cambiantes. «Nuestra investigación aclara algunos mecanismos fundamentales en los reactores de membrana electroquímica y proporciona conocimientos valiosos para el desarrollo de estrategias electroquímicas para eliminar microcontaminantes en el agua», resume Schäfer. (or)

Publicación original:

Siqi Liu, David Jassby, Daniel Mandler, Andrea I. Schäfer: Diferenciación de adsorción y degradación en la eliminación de micropoluentes de hormonas esteroides mediante membranas de nanotubos de carbono electroquímicas. Nature Communications, 2024. DOI: 10.1038/s41467-024-52730-7