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Nuevos materiales para el tratamiento de aguas

Investigation

Nuevos materiales para el tratamiento de aguas

Investigadores de la Universidad Autónoma de Madrid (UAM) han presentado resultados importantes sobre redes orgánicas covalentes (COFs), un grupo de materiales muy prometedores para el tratamiento de aguas. El trabajo se publica en Nanomaterials.

07/10/2021 UCCUAM
Esquema del diseño de una membrana basada en redes orgánicas covalentes para la eliminación de contaminantes presentes en agua.

Diseño de una membrana basada en redes orgánicas covalentes para la eliminación de contaminantes presentes en agua / UAM

Uno de los principales recursos vitales que nos proporciona la naturaleza es el agua. Sin embargo, de sobra es sabido que se trata de un recurso limitado. Por lo que numerosas investigaciones se centran en buscar soluciones que contemplan la obtención de agua potable procedente de la gestión de recursos hídricos en general y del tratamiento de aguas residuales/industriales en particular.

En este sentido, las redes orgánicas covalentes o COFs (Covalent Organic Frameworks) representan una alternativa particularmente prometedora frente a los productos químicos que actualmente se están utilizando en el mercado.

En un trabajo reciente, investigadores de la Universidad Autónoma de Madrid (UAM) han presentado importantes resultados sobre el uso de COFs en la detección y tratamiento de contaminantes presentes en el agua.

El trabajo, publicado en Nanomaterials, no solo describe los materiales más interesantes desde el punto de vista sintético y su procesabilidad, sino que compara su eficacia y efectividad frente a los contaminantes más comunes en aguas.

Procesado de los COFs

Los COFs son una nueva clase emergente de materiales cristalinos caracterizados por una elevada porosidad permanente, baja densidad y alta estabilidad térmica y/o química, cuya estructura completamente orgánica se forma a través de procesos basados en enlaces covalentes con cierto carácter dinámico.

Este tipo de materiales presenta la ventaja de que tanto sus propiedades fisicoquímicas, como la naturaleza de sus poros y el tamaño de sus partículas, pueden modificarse a voluntad mediante la selección adecuada de las moléculas precursoras y de las condiciones de síntesis elegidas para su preparación. Así, pueden obtenerse multitud de materiales con estructuras accesibles, selectivas y reactivas a determinadas moléculas.

Debido a la importancia que presenta el procesado del material para su aplicación final, el trabajo recoge las últimas metodologías que se usan actualmente en la preparación de membranas basadas en COFs, tanto free-standing, soportadas sobre superficies porosas (thin-film composite, TFC) o integrados en matrices poliméricas para formar membranas híbridas (mixed matrix membranes, MMMs).

“Así, se pueden encontrar membranas basadas en COFs en procesos relacionados con el tratamiento de aguas como son la ósmosis inversa, la pervaporación y la nanofiltración”, explican los autores.

“Por otro lado —agregan— los COFs también han sido usados en forma de monolitos o suspensiones. En los primeros, al COF se le da forma de monolito durante el proceso de síntesis, con el objetivo de favorecer la creación de nuevos poros que contribuyen en la mejora de captación de contaminantes en aguas. Por el contrario, las suspensiones son propias de aplicaciones relacionadas con la detección de estos contaminantes”.

Ventajas medioambientales y económicas

Hoy en día, una de las fuentes principales de contaminación del agua proviene de las industrias textiles y de colorantes. La mayoría de los colorantes (como la Rodamina B, RhB, el Naranja de metilo, MO o el Rojo Congo, CR, etc.) son mutágenos y/o cancerígenos.

Además de estos, existen numerosos compuestos que se utilizan en la producción de pesticidas o polímeros, que también suponen un riesgo para la salud humana y el medioambiente por su difícil degradación en aguas, como el Bisfenol A, o los compuestos nitroaromáticos (NACs).

La industria farmacéutica también genera muchos residuos en forma de medicamentos como el ibuprofeno o el naproxeno, que acaban acumulándose en las aguas subterráneas o en los ríos. Además de estas moléculas, los COFs también son capaces de detectar y capturar iones de metales pesados tóxicos presentes en aguas contaminadas, que de lo contrario pueden bioacumularse en organismos provocando potenciales problemas para el ecosistema.

En conclusión, la posibilidad de reutilizar aguas tratadas ofrece ventajas tanto medioambientales como económicas. Sin embargo, las membranas de polímeros orgánicos amorfos y de alta densidad que se usan actualmente presentan problemas de compensación entre permeabilidad y selectividad.

“El ensamblaje controlado de moléculas para la preparación de materiales cristalinos, con tamaños de poro definidos y funcionalizados, permite diseñar materiales a medida para cada aplicación, en este caso, selectivos para cada contaminante en particular”, describen los autores.

“Combinar todo esto con un buen procesado del material que permita un control del espesor y unas buenas propiedades mecánicas en la membrana, presenta un gran desafío en la actualidad, que creemos, una vez superado, abrirá la puerta a un gran número de alternativas basadas en COFs para una purificación de agua rápida, económica y de alto rendimiento”, concluyen.

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Referencia bibliográfica:

Arqueros, C., Zamora, F., Montoro, C. 2021.  A Perspective on the Application of Covalent Organic Frameworks for Detection and Water Treatment. Nanomaterials, 11, 1651. DOI:10.3390/nano11071651

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