¿Qué riesgos emergentes amenazan la calidad del agua subterránea y cómo enfrentarlos?

La contaminación de las aguas subterráneas ha entrado en una nueva era, marcada por la presencia de contaminantes emergentes y tecnologías aún en proceso de regulación. Sustancias como los productos farmacéuticos y de cuidado personal (PPCPs) y los compuestos perfluoroalquilados (PFAS) representan una amenaza creciente, aunque sus concentraciones sean menores en comparación con los contaminantes tradicionales. La persistencia, movilidad y potencial tóxico de estos compuestos los convierten en un desafío que la ciencia ambiental aún está tratando de comprender a fondo.

Otra amenaza creciente proviene de los microplásticos (MPs) y los nanomateriales fabricados (ENMs), que poseen la capacidad de actuar como vectores de contaminantes tradicionales como metales pesados u orgánicos. Debido a su tamaño coloidal o nanométrico, estos materiales pueden mantener una alta movilidad en el suelo y el agua, accediendo fácilmente al sistema freático. A su vez, su gran área superficial específica les permite adsorber una amplia gama de contaminantes, facilitando su transporte y prolongando su presencia en el medio subterráneo. Así, no solo son contaminantes por derecho propio, sino que funcionan como plataformas móviles de toxicidad compuesta.

Aunque el desarrollo de la nanotecnología ofrece herramientas prometedoras para la remediación de aguas subterráneas, su aplicación debe manejarse con cautela. Los riesgos de contaminación secundaria derivados del uso de nanomateriales en el ambiente aún no están completamente cuantificados, y su introducción puede alterar la dinámica biogeoquímica del subsuelo de formas impredecibles. El equilibrio entre el uso de la nanotecnología como solución y su potencial para agravar el problema exige regulaciones estrictas y una vigilancia científica constante.

En particular, las técnicas biológicas —especialmente la biorremediación in situ— han ganado protagonismo por su eficiencia, bajo costo y mínima alteración del entorno. La estimulación de microorganismos autóctonos mediante la inyección de nutrientes o aceptores/donadores de electrones permite activar procesos naturales de degradación. También es posible introducir microorganismos cultivados o modificados para acelerar la purificación del acuífero. Estas técnicas han demostrado ser especialmente eficaces en la degradación de hidrocarburos como los NAPLs (líquidos no acuosos de fase densa o ligera).

Por otro lado, las tecnologías físicas —como barreras impermeables, pozos de guía o sistemas de recolección pasiva— se emplean cuando la contaminación no es demasiado severa o cuando se requiere una intervención que modifique la dinámica del flujo subterráneo. Estas construcciones permiten redirigir, contener o extraer el agua contaminada sin recurrir a procesos químicos o biológicos.

En los casos más complejos, las tecnologías integradas permiten combinar lo mejor de cada enfoque, optimizando recursos y aumentando la eficiencia del proceso. Entre ellas destacan los sistemas de bombeo y tratamiento, las barreras reactivas permeables y los métodos electroquímicos de oxidación.

Es crucial comprender que la remediación ambiental no es solo una acción técnica, sino también una forma de redención humana. Representa un intento de corregir los errores del pasado, pero sobre todo debe ser una lección clara: no se debe contaminar desde el principio. Restaurar un acuífero a su estado original, una vez dañado, es un proceso largo, costoso y muchas veces incompleto. Por tanto, la prevención sigue siendo la herramienta más poderosa en la gestión ambiental.

Para abordar eficazmente la problemática de los contaminantes emergentes, es necesario incluir evaluaciones de riesgo actualizadas, metodologías analíticas más sensibles y una normativa adaptativa que pueda responder con agilidad al dinamismo químico del mundo moderno. Asimismo, resulta esencial incorporar la dimensión ecológica y toxicológica de estos contaminantes, evaluando no solo su presencia, sino sus interacciones sinérgicas, bioacumulación y efectos a largo plazo en los organismos acuáticos y en la salud humana.

¿Cómo funciona la filtración por membranas en el tratamiento del agua?

La tecnología de filtración por membranas, especialmente la Nanofiltración (NF), ha emergido como una solución eficaz en el tratamiento de aguas en diversas aplicaciones industriales y domésticas. A diferencia de otras tecnologías de filtración, como la ultrafiltración (UF) y la ósmosis inversa (RO), la NF ofrece una capacidad intermedia de filtrado, lo que la hace adecuada para una variedad de procesos de purificación del agua.

Las membranas de NF se desarrollan a partir de las membranas de RO y, a menudo, se denominan "RO abierta" o "RO floja". La principal diferencia radica en el tamaño de sus poros, que se encuentra entre los de la UF y la RO. Este tamaño intermedio le permite a la NF eliminar una variedad de contaminantes del agua, incluidos macromoléculas, coloides suspendidos y nanopartículas, así como algunos iones, lo que la convierte en una opción versátil para diferentes necesidades de tratamiento.

Uno de los usos más comunes de la NF es la desmineralización del agua dura, tanto para aplicaciones industriales como para el consumo doméstico. Esta tecnología también se emplea en el tratamiento de agua potable para eliminar precursores de subproductos de desinfección, como las materias orgánicas naturales. Además, la NF se puede combinar con otros procesos de membranas para reducir los costos operativos y aumentar la eficiencia de los sistemas de tratamiento de agua.

La configuración de las membranas es otro factor crucial en los sistemas de purificación de agua. Las membranas se disponen en diversas configuraciones dependiendo del diseño, y se agrupan en módulos. Las configuraciones más comunes son la placa y el marco, la fibra hueca, la tubular y la espiral enrollada. Cada una de estas configuraciones tiene características específicas que se adaptan a las diferentes necesidades del proceso de purificación.

El módulo espiral enrollada es el más común para los procesos de NF y RO. Este consiste en una envoltura de membrana enrollada alrededor de un tubo colector, con el soporte de espaciadores flexibles. Durante su operación, el agua alimentada pasa a través de un lado de la membrana, y el agua purificada se recoge en el tubo central.

El rendimiento de estos sistemas de filtración depende en gran medida de la presión hidráulica, que actúa como fuerza impulsora en los procesos de filtración. Este parámetro, conocido como flujo (q), es fundamental en el tratamiento de agua, ya que indica la cantidad de flujo que pasa a través de una unidad de área de membrana en un tiempo determinado. En la práctica, los sistemas de membranas operan en un rango de 10 a 1000 litros por metro cuadrado por hora (LMH), dependiendo de la presión neta de conducción, la resistencia de la membrana y las condiciones hidráulicas del sistema.

Además, el modelado del flujo de agua a través de las membranas debe tener en cuenta las características de las membranas, como el tamaño y la forma de sus poros, la química de la superficie, la elasticidad, la estructura de los poros y la tortuosidad. A pesar de que los poros pueden tener una forma irregular en la realidad, el comportamiento de flujo sigue una relación lineal con la diferencia de presión, lo que facilita el diseño y la optimización de los sistemas de filtración.

Es fundamental comprender que la tecnología de membranas no está exenta de desafíos operacionales. La acumulación de contaminantes sobre las membranas, conocida como fouling, puede comprometer el rendimiento del sistema, reduciendo la eficiencia de la filtración y aumentando los costos de mantenimiento. En algunos casos, la rotura o fisura de las membranas puede mejorar temporalmente la tasa de recuperación, pero a costa de reducir la eficiencia de rechazo.

La comprensión de los mecanismos de transporte de masa y flujo a través de las membranas, junto con el control de las condiciones operativas, es esencial para optimizar el rendimiento de los sistemas de tratamiento de agua y minimizar los costos operativos a largo plazo.

¿Qué características hacen a los adsorbentes basados en nanomateriales esenciales para el tratamiento de aguas?

Los adsorbentes son materiales sólidos, generalmente en forma de polvo o gránulos, con tamaños que varían entre <0.5 mm y 0.5–10 mm, según su aplicación específica. Estos adsorbentes pueden adoptar diversas formas, tales como esferas, pellets, varillas, monolitos, láminas o fibras, dependiendo de su composición y del uso previsto. Aunque materiales sólidos como la arena o la piedra caliza pueden utilizarse como adsorbentes en aplicaciones que no requieren grandes capacidades de adsorción, la mayoría de los adsorbentes utilizados en el tratamiento de agua son porosos y presentan una red de poros bien conectada, lo que resulta en un área superficial relativamente grande.

Los adsorbentes para filtración de agua deben tener una alta resistencia a la abrasión, estabilidad térmica y una excelente resistencia química, lo que les permite ser empleados en aplicaciones a gran escala, como los filtros empacados y los mezcladores de flujo continuo. Los adsorbentes de buena calidad se caracterizan por tener micro y mesoporos, una estructura porosa definida (lo que permite una cinética de adsorción rápida) y un área superficial grande (lo que implica una gran capacidad de adsorción).

Biochar
El biochar es un carbono de baja grafiticidad derivado de biomasa rica en carbono, especialmente residuos agrícolas y forestales, mediante tratamiento térmico en un ambiente con oxígeno limitado. Los métodos más comunes para su preparación son la pirólisis lenta y la carbonización hidrotérmica, aunque también existen técnicas como la pirólisis rápida, la gasificación, la pirólisis por microondas, la pirólisis en sal fundida y la torrefacción. Inicialmente, el biochar fue desarrollado para mejorar la calidad y productividad del suelo, pero con el tiempo su aplicación se ha desplazado hacia la remediación ambiental. Debido a su bajo costo (considerablemente inferior al del carbón activado) y sus propiedades estructurales y superficiales únicas, el biochar se ha convertido en un adsorbente de bajo costo muy utilizado en el tratamiento de aguas residuales para la eliminación de diversos contaminantes. Además, el desarrollo de técnicas de modificación e ingeniería ha permitido producir biochar con capacidades de adsorción mejoradas, especialmente en lo que respecta a la eliminación de contaminantes en agua.

Carbón activado (AC)

Resinas de intercambio iónico
Las resinas de intercambio iónico son pequeñas esferas de polímero sintético, con diámetros que van de 0.5 a 2 mm. Estas resinas están fabricadas a partir de polímeros orgánicos como el poliestireno y se utilizan ampliamente en procesos de separación, purificación y descontaminación. Son particularmente eficaces en la desmineralización y ablandamiento del agua, eliminando dureza y alcalinidad a través de un intercambio iónico entre las esferas de resina y el agua de alimentación. También se emplean para eliminar materia orgánica disuelta, lo que reduce los riesgos asociados con los subproductos de desinfección. A pesar de su precio relativamente alto, las resinas de intercambio iónico son altamente eficaces, selectivas y tienen una vida útil prolongada, ya que pueden regenerarse de manera casi completa en varias ocasiones.

Zeolitos
Los zeolitos son adsorbentes microporosos que generalmente contienen compuestos químicos de sílice y aluminio, junto con otros elementos metálicos como calcio, potasio y sodio. Los zeolitos naturales se forman a partir de la reacción de rocas volcánicas y agua alcalina, mientras que los zeolitos sintéticos se desarrollan mediante la comprensión del proceso de cristalización. Los zeolitos son conocidos por sus microporos de tamaño uniforme y sus aplicaciones en la purificación de agua. La capacidad de los zeolitos para adsorber agua y otras moléculas pequeñas los convierte en una herramienta valiosa en la eliminación de contaminantes.

Es crucial destacar que la efectividad de estos adsorbentes depende no solo de su estructura y propiedades superficiales, sino también de su capacidad para adaptarse a diferentes condiciones del agua, como la temperatura, la concentración de contaminantes y la interacción con otras sustancias presentes en el medio. Además, los avances en la ingeniería de nanomateriales y técnicas de modificación continúan mejorando las propiedades de estos adsorbentes, permitiendo una mayor selectividad y eficiencia en el tratamiento de aguas contaminadas.

¿Cómo los nanocompuestos a base de biochar contribuyen a la purificación del agua?

El uso de biochar y sus derivados en la purificación de aguas contaminadas ha emergido como una estrategia prometedora para tratar diversos tipos de contaminantes, desde metales pesados hasta compuestos orgánicos. El biochar, un material carbonoso obtenido por pirolisis de biomasa, se ha convertido en una plataforma eficaz para la adsorción y eliminación de contaminantes gracias a su alta área superficial, porosidad y capacidad para ser modificado con diversos materiales funcionales.

Una de las rutas de síntesis más utilizadas para estos nanocompuestos es el proceso de reducción química, que permite la integración de nanopartículas funcionales, como óxidos metálicos, sobre la superficie del biochar. Un ejemplo de ello es la preparación de un nanocompuesto de biochar cargado con goetita (FeOOH), que no solo mejora la capacidad de filtración de arsénico, sino que también presenta una reutilización satisfactoria. Esta capacidad de reuso es una ventaja significativa, dado que el tratamiento del agua suele ser un proceso que requiere intervención continua.

Además de la adsorción, otro aspecto importante en la purificación del agua mediante estos nanocompuestos es la presencia de sitios activos en la superficie del material. Estos sitios no solo facilitan la adsorción de contaminantes orgánicos e inorgánicos, sino que también permiten la degradación catalítica de los mismos. Los materiales como el grafeno, los nanotubos de carbono (CNTs) o el grafeno óxido (GO) son especialmente efectivos en estos procesos debido a su alta estabilidad química y su capacidad para interactuar con diversos tipos de contaminantes, tanto metálicos como orgánicos.

Además de las nanopartículas, los nanocompuestos de biochar pueden ser modificados para incluir materiales como los hidróxidos de metales (Mg, Fe, Al), los cuales también muestran excelentes propiedades para la eliminación de contaminantes iónicos, tales como fosfatos y nitratos. Estos materiales no solo presentan una excelente capacidad de adsorción, sino que también pueden ser diseñados para trabajar de manera efectiva bajo diversas condiciones ambientales, lo que aumenta su aplicabilidad en sistemas de tratamiento de agua a gran escala.

Los avances más recientes incluyen el uso de geles tridimensionales (3D) ensamblados a partir de materiales nanocarbónicos como el grafeno, CNTs y GO. Estos geles tienen estructuras porosas especializadas que mejoran la adsorción de contaminantes. Los geles 3D, que pueden ser fabricados mediante métodos como la autoensamblaje o la impresión 3D, ofrecen una alta área superficial, baja densidad y una excelente resistencia mecánica. Estos geles tienen la capacidad de eliminar contaminantes como plomo, y su estructura fácilmente ajustable los hace idóneos para aplicaciones de tratamiento de agua a gran escala.

La tendencia de utilizar materiales nanocompuestos a base de biochar sigue creciendo, y es de particular interés en el tratamiento de aguas residuales industriales y agrícolas, que a menudo contienen una mezcla compleja de contaminantes. La integración de estos materiales con tecnologías emergentes como la impresión 3D y los geles 3D promete abrir nuevas puertas en la ingeniería de sistemas de purificación de agua.

La versatilidad de estos nanocompuestos se refleja en su capacidad para tratar una amplia gama de contaminantes, desde metales pesados hasta compuestos orgánicos emergentes, lo que los convierte en una herramienta esencial para enfrentar la crisis del agua global. A medida que los métodos de síntesis y funcionalización continúan avanzando, se espera que los nanocompuestos a base de biochar jueguen un papel crucial en el desarrollo de soluciones sostenibles y eficientes para la purificación del agua.

¿Cómo afecta la teoría clásica de filtración al tratamiento de agua mediante nanotecnología?

El proceso básico de la filtración granular implica que el agua pasa a través de un lecho de arena que actúa como un medio de recolección de partículas suspendidas. El rendimiento del filtro depende de varios factores, incluidos el tamaño y la forma de las partículas, las propiedades del medio filtrante, la velocidad del flujo y las condiciones físico-químicas del sistema. La teoría de la eficiencia del colector individual es el núcleo de la teoría clásica de la filtración, y se basa en la suposición de que todos los granos de arena en el filtro son esferas idénticas y tienen la misma capacidad de capturar partículas. Este modelo simplificado asume que la eficiencia de la remoción de partículas por cada grano de arena se puede derivar directamente de la eficiencia de remoción de un solo colector en un lecho de arena fijo.

El modelo se basa en una serie de ecuaciones que describen cómo las partículas entran en contacto con los colectores y cómo se adhieren a ellos o se desprenden. De manera simplificada, la eficiencia de remoción de un colector se define como el producto de la eficiencia de contacto (𝜂0) y la eficiencia de adhesión (α). La eficiencia de contacto está determinada por tres procesos físicos principales: la interceptación, la difusión y la sedimentación de las partículas, mientras que la eficiencia de adhesión depende de las fuerzas de interacción a corto alcance entre las partículas y la superficie del colector.

Sin embargo, este modelo idealizado no toma en cuenta las interacciones entre los colectores vecinos, lo que puede afectar la dinámica del flujo en un lecho de arena real. Para abordar esta limitación, se ha desarrollado el modelo de esfera en célula de Happel, que considera la interacción entre el colector y el fluido circundante, ajustando la solución matemática para reflejar con mayor precisión las condiciones reales de flujo. Aunque el modelo de Happel es aún simplificado, permite predecir con mayor exactitud el comportamiento del flujo y la captura de partículas en un medio poroso.

En los últimos años, se han realizado mejoras adicionales en los modelos matemáticos que permiten un tratamiento más detallado de las interacciones entre partículas y colectores. Por ejemplo, Rajagopalan y Tien (1976) llevaron a cabo un análisis de la trayectoria de partículas no difusivas, lo que les permitió determinar de manera más precisa la eficiencia de contacto en condiciones de flujo real. Además, Tufenkji y Elimelech (2004) realizaron simulaciones numéricas de la deposición de partículas en filtros ideales, incluyendo el efecto de la difusión de Brownian y las fuerzas de arrastre hidrodinámico.

Este marco teórico proporciona una base sólida para entender cómo los filtros de arena pueden ser diseñados para mejorar su eficiencia en la remoción de partículas, incluyendo las nanopartículas presentes en aguas residuales. Además, la integración de tecnologías como los nanotubos de carbono en los medios filtrantes podría mejorar aún más la capacidad de captura de partículas, lo que representa una vía prometedora para el tratamiento de aguas contaminadas con ENPs (partículas nanoestructuradas).

Además, los avances en la nanotecnología y los nuevos desarrollos en materiales filtrantes, como los filtros mejorados con nanotubos de carbono, pueden revolucionar el tratamiento de aguas. Estos avances permiten una filtración más precisa y una mayor remoción de partículas a niveles cada vez más pequeños. Sin embargo, los ingenieros y científicos deben seguir investigando y desarrollando nuevas tecnologías para optimizar estos procesos y hacerlos más accesibles en términos de costo y aplicabilidad práctica.