Los materiales como las zeolitas, tanto naturales como sintéticas, han sido tradicionalmente utilizados en la purificación del agua debido a su capacidad para actuar como tamices moleculares y, sobre todo, por su eficacia en el intercambio catiónico. Esta propiedad les permite eliminar contaminantes catiónicos como amonio, calcio, magnesio, hierro, y metales pesados tales como plomo, cobre, cadmio, mercurio y zinc. No obstante, los avances recientes en nanotecnología han abierto nuevas vías más eficientes, específicas y prometedoras.

Los nanomateriales presentan una superficie específica extremadamente alta, lo cual los convierte en adsorbentes especialmente efectivos, ya que los procesos de adsorción ocurren predominantemente en la superficie del material. Dentro del amplio espectro de nanopartículas disponibles, aquellas basadas en carbono y metales (así como óxidos metálicos) destacan por su eficacia demostrada en la eliminación de una variedad de contaminantes en soluciones acuosas. A diferencia de los adsorbentes porosos tradicionales como el carbón activado, cuya área superficial reside en su estructura interna, las nanopartículas poseen superficies externas expuestas directamente al medio, lo que en teoría les otorga una cinética de adsorción superior.

Sin embargo, esta eficiencia potencial está condicionada a que las nanopartículas permanezcan bien dispersas en el agua durante todo el proceso de tratamiento. La tendencia natural de las nanopartículas a agregarse por fuerzas de Van der Waals reduce drásticamente su capacidad adsorbente, afectando la transferencia de masa y ralentizando la cinética de adsorción. Para contrarrestar este fenómeno, se han desarrollado técnicas de funcionalización superficial, recubrimientos con surfactantes o polímeros, que favorecen una mejor dispersión en medios acuosos. Pese a estos avances, el uso práctico de nanopartículas bien dispersas enfrenta dos desafíos fundamentales: su recuperación tras el tratamiento y la prevención de su liberación al agua purificada.

Las nanopartículas magnéticas han surgido como una solución viable, permitiendo una recuperación eficiente mediante la aplicación de campos magnéticos. Sin embargo, su aplicación a escala industrial implica inversiones elevadas y la reestructuración sustancial de infraestructuras tradicionales de tratamiento, además del alto consumo energético requerido para generar campos magnéticos industriales estables.

Una alternativa más práctica y versátil es la creación de filtros de arena habilitados con nanomateriales. Dado que las nanopartículas no pueden ser utilizadas directamente como medio filtrante en columnas de lecho fijo debido a su tamaño y movilidad, se han desarrollado métodos para incorporar pequeñas cantidades de nanomateriales de carbono como nanotubos (CNTs) y óxido de grafeno (GO) dentro de capas de arena natural. En esta configuración, la arena actúa como soporte estructural que estabiliza las nanopartículas, distribuye el flujo y evita su fuga del sistema. Estas pequeñas cantidades de CNTs o GO, por su parte, se convierten en sitios activos de adsorción.

Los estudios muestran que la eficacia de estos filtros aumenta significativamente con la cantidad de GO incorporado, logrando una eliminación eficiente tanto de antibióticos como de metales pesados como el plomo, incluso en soluciones contaminadas simultáneamente con ambos tipos de compuestos. Esta sinergia entre soporte y funcionalidad hace de los filtros con nanomateriales una de las estrategias más prometedoras para la aplicación práctica de la nanotecnología en la purificación de agua.

Más allá de los filtros, otra vía con alto potencial son los nanocompuestos adsorbentes. Estos consisten en nanopartículas ancladas sobre materiales adsorbentes porosos como biochar, carbón activado, resinas o zeolitas. En estos sistemas, el soporte poroso no sólo facilita la estabilización y dispersión de las nanopartículas, sino que también contribuye a la adsorción mediante su propia estructura interna. El biochar, por ejemplo, con su red de poros bien desarrollada y su bajo costo, es particularmente adecuado como base para la síntesis de nanocompuestos funcionales.

La síntesis de nanocompuestos basados en biochar sigue dos rutas principales: primero, la producción del biochar a partir de biomasa mediante carbonización térmica, seguida del depósito o impregnación de nanopartículas sobre su superficie. Estos nanocompuestos permiten una aplicación segura, controlada y eficiente de la nanotecnología en sistemas de tratamiento a gran escala, manteniendo la funcionalidad de las nanopartículas sin los inconvenientes asociados a su dispersión libre.

Para el lector, es esencial comprender que la eficiencia de los nanomateriales no se encuentra solamente en su escala diminuta, sino en su interacción controlada con otros medios. La integración inteligente con soportes estructurales como arena o biochar no sólo mejora su rendimiento, sino que permite una transición viable desde la investigación experimental hacia su implementación real. Además, el tratamiento de aguas no puede depender exclusivamente de la eficacia técnica: factores como la recuperación del adsorbente, la estabilidad ambiental de los materiales usados, los costos energéticos y la escalabilidad del sistema determinan su sostenibilidad a largo plazo.

¿Cómo se analizan las nanopartículas en el agua y cuáles son los métodos más eficaces?

El análisis de nanopartículas en muestras de agua es un proceso complejo que va más allá de la simple separación de las partículas. La separación es solo uno de los pasos iniciales en el análisis de las partículas nanométricas (ENPs, por sus siglas en inglés) en el agua. En muchos casos, es necesario realizar una combinación de técnicas para caracterizar y cuantificar las ENPs de manera efectiva. La separación inicial, en particular, puede considerarse un paso de pretratamiento o de preparación de la muestra para su posterior análisis.

Uno de los métodos más comunes para separar partículas de agua, incluyendo sedimentos y coloides, es la centrifugación. Sin embargo, debido al tamaño extremadamente pequeño de las ENPs, estas son demasiado livianas para ser separadas por los centrífugas convencionales. Para poder separar las ENPs de diferentes tamaños, se utilizan centrifugadoras de alta velocidad, como las ultracentrífugas. Estos equipos permiten separar las partículas mediante distintas velocidades de centrifugado (Akbulut et al., 2012). No obstante, incluso con ultracentrífugas, el proceso requiere tiempos largos de operación y no garantiza una recuperación completa de las nanopartículas (Figura 7.3). Además, las muestras de agua natural contienen materia orgánica, la cual puede extraerse de los sobrenadantes durante la centrifugación a alta velocidad, contaminando así las ENPs. Como resultado, las muestras de agua suelen ser tratadas químicamente con oxidantes antes de la separación, aunque este tratamiento puede oxidar las ENPs y afectar el análisis. Por si fuera poco, la centrifugación a alta velocidad genera inevitablemente la agregación de las ENPs, lo que también puede alterar los resultados del análisis.

Una alternativa a la centrifugación para la separación de ENPs son los métodos de filtración en serie. La filtración por ósmosis inversa (RO), nanofiltración (NF) y ultrafiltración (UF) ha demostrado ser eficaz para separar partículas nanométricas, incluidas las ENPs, del agua. Por otro lado, la microfiltración (MF) es útil para eliminar partículas coloidales. En la filtración en serie, se utilizan membranas con diferentes tamaños de poro para separar las nanopartículas de agua en fracciones de diferentes tamaños. Sin embargo, la filtración directa es más efectiva cuando las ENPs son partículas tridimensionales (3D) relativamente uniformes. En el caso de partículas con estructuras irregulares, como los nanotubos de carbono unidimensionales (1D) o el grafeno bidimensional (2D), el proceso de filtración es menos eficiente. Además, algunas ENPs pueden perderse durante la filtración debido a la obstrucción de los poros de las membranas (Ladner et al., 2012).

Un enfoque adicional para la separación de ENPs es la cromatografía de exclusión por tamaño (SEC), que se utiliza para separar moléculas o partículas en solución según su tamaño o peso molecular. Esta técnica se basa en el uso de columnas cromatográficas llenas de esferas rígidas, porosas y ultrafinas con tamaños de partículas de entre 3 y 20 micrómetros y poros de 50 a 107 Å. Los medios más utilizados en las columnas de SEC son esferas de polímero y sílice. La separación en SEC se produce porque las nanopartículas con diámetros hidrodinámicos más grandes son excluidas en mayor medida de la red de poros de la columna. Así, las partículas más grandes son eluidas antes que las más pequeñas. Sin embargo, uno de los desafíos de la SEC es la posible interacción entre las nanopartículas y el medio de la columna. Por ejemplo, la adsorción de las ENPs en el material de la columna puede causar un retraso en el paso de las partículas y, en algunos casos, impedir la recuperación completa de las mismas (Pitkanen y Striegel, 2016).

Para caracterizar de manera efectiva las ENPs, la visualización es uno de los métodos más poderosos. Esta técnica permite estudiar las partículas en muestras de agua y determinar sus tamaños, formas, morfología superficial y composición. Para ello, se utilizan principalmente dos tipos de microscopía: óptica y electrónica. Aunque la microscopía óptica ha sido una herramienta importante desde su invención, su resolución generalmente no es suficiente para estudiar las ENPs debido a que los límites de resolución son mayores que el tamaño nanométrico. Por lo tanto, se recurren a técnicas de microscopía electrónica, que cuentan con una resolución mucho mayor debido al uso de haces de electrones para la visualización. La longitud de onda de un haz de electrones es mucho más corta que la de la luz visible, lo que permite obtener imágenes a escalas mucho más pequeñas. Las microscopías electrónicas más utilizadas para analizar ENPs son la microscopía electrónica de barrido (SEM) y la microscopía electrónica de transmisión (TEM), las cuales se suelen acoplar con espectroscopía de rayos X de dispersión de energía (EDS) para mapear la distribución de elementos en la superficie de la muestra.

La microscopía electrónica es una herramienta fundamental para medir la morfología, los tamaños y las formas de las ENPs debido a su alta resolución. Aunque en comparación con la microscopía óptica, la microscopía electrónica tiene muchas ventajas, es importante tener en cuenta que cada tipo de microscopía tiene sus propias limitaciones. La SEM, por ejemplo, es útil para obtener imágenes detalladas de la morfología de la superficie, pero no es tan efectiva para observar detalles a nivel atómico. Por su parte, la TEM permite obtener imágenes de mayor resolución, incluso a nivel atómico, y es fundamental para el análisis de las estructuras internas de las ENPs. Ambos tipos de microscopía electrónica se han convertido en herramientas esenciales para los investigadores que trabajan con materiales nanométricos, permitiendo obtener datos cruciales sobre sus propiedades.

Es fundamental también tener en cuenta que la caracterización de las ENPs no solo incluye su tamaño, forma y morfología superficial, sino también su comportamiento en diferentes condiciones ambientales. Esto incluye la interacción de las nanopartículas con otras sustancias en el agua, como materia orgánica y sales disueltas, lo cual puede modificar su estabilidad, dispersión y reactividad. Por lo tanto, cualquier análisis de ENPs en el agua debe tener en cuenta no solo las propiedades físicas y estructurales de las partículas, sino también sus interacciones químicas en el entorno acuático.

¿Cómo las propiedades de las nanopartículas cambian con el tamaño y qué implica para la tecnología y el medio ambiente?

Cuando los materiales se reducen a la escala nanométrica, se desencadenan transformaciones notables en sus propiedades físicas y químicas, las cuales son fuertemente dependientes del tamaño de las partículas. Este fenómeno es especialmente evidente en nanopartículas que tienen un tamaño de solo unos pocos nanómetros. Por ejemplo, las nanopartículas de oro presentan propiedades ópticas únicas que varían en función de su tamaño, lo que resulta en colores diferentes a los de su forma a granel. Mientras que el oro en su forma macroscópica es amarillo, las nanopartículas de oro pueden ser rojas, moradas o de otros colores, lo que les permite adaptarse a diversas aplicaciones, como en sensores biomédicos, tratamientos y detección ambiental. Este cambio de color se debe a la confusión del movimiento de los electrones de oro a la escala nanométrica, lo que altera su interacción con la luz. Los efectos cuánticos, que se manifiestan a escalas tan pequeñas, permiten que materiales como el cobre se vuelvan transparentes, el aluminio se vuelva inflamable o el oro se derrita a temperatura ambiente, entre otros comportamientos sorprendentes.

La razón detrás de este comportamiento reside en los efectos cuánticos que comienzan a predominar a medida que el tamaño de las partículas disminuye. En los materiales a gran escala, los efectos cuánticos quedan diluidos debido al número masivo de átomos que componen el material. Sin embargo, cuando el tamaño de un material se reduce al nivel de nanopartículas, la cantidad de átomos se reduce considerablemente, y las propiedades de los átomos individuales emergen. De hecho, al disminuir el tamaño de una partícula sólida, su masa y número de átomos decrecen de forma exponencial, lo que provoca que los efectos cuánticos jueguen un papel crucial. Por ejemplo, cuando el diámetro de una esfera sólida se reduce diez veces, su masa y el número de átomos disminuyen mil veces. En este contexto, las propiedades de las nanopartículas son distintas y dependen en gran medida de su tamaño, lo que abre la puerta a nuevas posibilidades de diseño y manipulación de materiales.

En términos generales, hay dos propiedades esenciales que todas las nanopartículas comparten y que son cruciales para sus aplicaciones tecnológicas, especialmente en el campo ambiental. La primera propiedad es la relación extremadamente alta entre el área superficial y el volumen de las nanopartículas. En comparación con su forma a granel, las nanopartículas tienen una mayor exposición de superficie por unidad de masa o volumen. Al transformar un material a gran escala en nanopartículas, su masa se mantiene constante, pero su área superficial aumenta de manera espectacular. Este fenómeno se puede ilustrar con el ejemplo geométrico de un cubo. Si tomamos un cubo de 1 cm de lado, su área superficial es de 6 cm². Si cortamos ese cubo en unidades de 1 mm de lado, el área superficial aumentará a 60 cm², y si continuamos reduciendo el tamaño hasta llegar a cubos de 1 nm, la superficie alcanzará los 60,000,000 cm², suficiente para cubrir una superficie tan grande como la de la Casa Blanca. Este aumento exponencial en el área superficial es la razón por la que las nanopartículas tienen una mayor reactividad química en comparación con los materiales a granel. Esto se debe a que, en las nanopartículas, una proporción significativa de los átomos se encuentra en la superficie, lo que aumenta su capacidad para participar en reacciones químicas.

Por ejemplo, una nanopartícula de hierro de 3 nm tiene la mitad de sus átomos en la superficie, lo que los hace mucho más reactivos que los átomos que están en el interior de la partícula. Esto explica por qué materiales que son inertes en su forma a granel se vuelven activos cuando se producen como nanopartículas. Este alto índice de superficie específica también es fundamental para aplicaciones medioambientales, como la remoción de contaminantes. Nanopartículas como los nanotubos de carbono, el grafeno y las nanopartículas de óxidos metálicos han demostrado ser muy eficaces para adsorber una variedad de contaminantes en el medio ambiente.

La segunda propiedad importante de las nanopartículas está relacionada con su "solubilidad" o dispersión en fases líquidas y gaseosas. A escala nanométrica, la gravedad pierde su efecto sobre las partículas debido a que la densidad de las nanopartículas se reduce significativamente. A diferencia de los objetos macroscópicos, donde la gravedad es un factor decisivo en su movimiento, las nanopartículas no siguen las mismas leyes físicas. Por ejemplo, si un trozo de piedra y un pedazo de madera se redujeran a la escala nanométrica, ya no se hundirían ni flotarían en el agua de la misma manera. En su lugar, se dispersarían uniformemente, formando soluciones en las cuales las nanopartículas permanecerían suspendidas. Este fenómeno, conocido como el movimiento browniano, fue observado por primera vez por el botánico Robert Brown en 1827, quien notó que las partículas suspendidas en agua se movían aleatoriamente. Este tipo de dispersión es un aspecto crucial para la aplicación de las nanopartículas en sistemas biológicos y ambientales, ya que les permite interactuar de manera efectiva con su entorno.

En conclusión, las nanopartículas, por su tamaño y propiedades únicas, no solo ofrecen nuevas oportunidades para el desarrollo de tecnologías avanzadas, sino que también tienen implicaciones significativas en el campo medioambiental. Las propiedades relacionadas con el área superficial específica y la dispersión en líquidos son esenciales tanto para la mejora de materiales en áreas como la energía renovable y la medicina, como para el tratamiento de contaminantes y la mejora de la calidad del agua. Estas características permiten a los investigadores diseñar soluciones más eficientes y sostenibles en la lucha contra la contaminación y la mejora de las condiciones ambientales.

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