La aplicación de carga eléctrica sobre espuma de óxido de grafeno se ha demostrado eficaz para eliminar el uranio del agua potable, que se precipita como un cristal sólido condensado.
A diferencia de otros contaminantes del agua, como las algas o el micro plástico, el impacto del invisible uranio es más peligroso. Al filtrarse en los recursos hídricos de las operaciones mineras, los sitios de desechos nucleares o de los depósitos subterráneos naturales, ahora se puede encontrar el elemento fluyendo de los grifos en todo el mundo.
“Incluso las concentraciones pequeñas son malas para la salud humana”, dice Ju Li, profesor de ciencia e ingeniería de materiales en el MIT (Massachusetts Institute of Technology), y primer autor de la investigación sobre el nuevo método de depuración de agua.
“En cuestión de horas, nuestro proceso puede purificar una gran cantidad de agua potable por debajo del límite de uranio de la EPA (Agencia de Protección Ambiental de EEUU”, dice Li en un comunicado, cuyo estudio se publica en Advanced Materials.
El proyecto, lanzado hace tres años, comenzó como un esfuerzo por encontrar mejores enfoques para la limpieza ambiental de metales pesados de los sitios mineros. Hasta la fecha, los métodos de remediación para metales como el cromo, cadmio, arsénico, plomo, mercurio, radio y uranio han demostrado ser limitados y costosos. “Estas técnicas son muy sensibles a los compuestos orgánicos en el agua y son deficientes para separar los contaminantes de metales pesados”, explica el coautor Ahmed Sami Helal, postdoctorado en el Departamento de Ciencia e Ingeniería Nuclear. “Por lo que implican tiempos de operación prolongados, altos costos de capital y, al final de la extracción, generan más lodos tóxicos”.
Para el equipo, el uranio parecía un objetivo particularmente atractivo. Las pruebas de campo del Servicio Geológico de los EE.UU. y la Agencia de Protección Ambiental (EPA) han revelado niveles insalubres de uranio que se mueven hacia reservorios y acuíferos de fuentes de rocas naturales en el noreste de los Estados Unidos, desde estanques y pozos que almacenan viejas armas y combustible nucleares hasta actividades mineras. Un número alarmante de estos sitios muestra concentraciones de uranio cercanas o superiores al límite máximo recomendado por la EPA de 30 partes por mil millones (ppb), un nivel relacionado con daño renal, riesgo de cáncer y cambios neuroconductuales en humanos.
El desafío fundamental consistía en encontrar un proceso práctico de rehabilitación exclusivamente sensible al uranio, capaz de extraerlo de la solución sin producir residuos tóxicos. Y aunque investigaciones anteriores mostraron que la fibra de carbono cargada eléctricamente podía filtrar el uranio del agua, los resultados fueron parciales e imprecisos.
El equipo logró resolver estos problemas, basándose en su investigación del comportamiento de la espuma de grafeno utilizada para las baterías de litio y azufre. “El rendimiento físico de esta espuma fue único debido a su capacidad para atraer ciertas especies químicas a su superficie”, dice. “Pensé que los ligandos de la espuma de grafeno funcionarían bien con el uranio”.
El equipo se puso a trabajar para transformar la espuma de grafeno en el equivalente a un imán de uranio. Aprendieron que al enviar una carga eléctrica a través de la espuma, dividiendo el agua y liberando hidrógeno, podían aumentar el pH local e inducir un cambio químico que sacaba los iones de uranio de la solución. Los investigadores encontraron que el uranio se injertaba en la superficie de la espuma, donde formaba un hidróxido de uranio cristalino nunca antes visto. Al invertir la carga eléctrica, el mineral, que se asemeja a escamas de pescado, se deslizó fácilmente de la espuma.
Se necesitaron cientos de intentos para obtener la composición química y la electrólisis correctas. “Seguimos cambiando los grupos químicos funcionales para que funcionen correctamente”, dice Helal. “Y la espuma era inicialmente bastante frágil, tendiendo a romperse en pedazos, por lo que necesitábamos hacerla más fuerte y más duradera”, dice Wang.
Este proceso de filtración de uranio es simple, eficiente y limpio, según Li: “Cada vez que se usa, nuestra espuma puede capturar cuatro veces su propio peso de uranio, y podemos lograr una capacidad de extracción de 4.000 mg por gramo, que es una gran mejora con respecto a otros métodos “, dice. “También hemos logrado un gran avance en la reutilización, porque la espuma puede pasar por siete ciclos sin perder su eficiencia de extracción”. La espuma de grafeno también funciona en el agua de mar, donde reduce las concentraciones de uranio de 3 partes por millón a 19,9 ppb, lo que demuestra que otros iones de la salmuera no interfieren con la filtración.
El equipo cree que su dispositivo eficaz y de bajo costo podría convertirse en un nuevo tipo de filtro de agua doméstico, que se adapta a grifos como los de marcas comerciales. “Algunos de estos filtros ya tienen carbón activado, así que tal vez podríamos modificarlos, agregar electricidad de bajo voltaje para filtrar el uranio”, dice Li.
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