Grupo ICRATech (III): grafeno en el tratamiento de aguas

Imagen: Wikimedia

«Imagínate la posibilidad de disponer de un sistema de suministro de agua que dure casi eternamente, resistente al ensuciamiento bacteriano, a la corrosión, y con la posibilidad de detectar y degradar instantáneamente cualquier contaminante potencialmente peligroso. ¿Te imaginas que pudieses pintar las paredes de tu edificio con una pintura que produzca la energía requerida por tus electrodomésticos? ¿Y que el movimiento del agua de la lavadora permitiera generar la energía suficiente para desinfectar y tratar el efluente de manera que pueda reutilizarse para beber? ¿Cómo pueden generar y almacenar energía las tecnologías de tratamiento de agua? ¿Cómo se puede integrar los sensores de calidad del agua con la energía y el tratamiento para auto-regularse? Los materiales de grafeno pueden jugar muy pronto un papel clave para responder a estas preguntas«.

Jelena Radjenovic y Luis-Baptista Pires

El futuro siempre está en tus manos

¿Te imaginas que toda la vida has tenido el futuro en tus manos? Bien, Geim y Novosolev en 2004 aislaron por primera vez el grafeno del grafito utilizando una simple cinta adhesiva. El grafito es el material de las minas de los lápices que has estado utilizando toda tu vida. Ellos ganaron el Premio Nobel por aislar y caracterizar las propiedades electrónicas del grafeno. ¿Habrá un premio nobel escondido en tu bolígrafo? Quizás sí, pero antes vamos a ver qué es el grafeno, este material del que todo el mundo habla últimamente. El grafeno es una simple capa de átomos de carbono organizados en un patrón hexagonal de dos dimensiones. Más duro que el acero y con una gran flexibilidad, uno se lo puede imaginar como una hoja de papel con una estructura de átomos de carbono enlazados. Esto permite la rápida circulación de los electrones que no encuentran resistencia alguna. Sería como conducir por una autopista perfecta sin encontrarse otros coches u obstáculos por el camino… Ahora, si a esa autopista le añades unos árboles por todas partes (grupos funcionales de oxígeno) y algunos agujeros en el suelo (huecos/defectos) te encontrarás con el primo del grafeno, que se llama Óxido de Grafeno (OG). Al revés que el grafeno, el OG es un aislante una vez que presenta una gran resistencia a la circulación de electrones a través de su superficie.

Esta propia limitación del OG le permite ser suspendido en agua para formar tintas. De este modo se puede imprimir, pintar o recubrir con OG casi cualquier material. Resulta fácil de manipular, y es mucho más barato ya que se puede producir masivamente a partir del grafito natural mediante métodos químico o físicos. Y, lo que es más importante, el OG se puede transformar en un material conductor simplemente eliminando los grupos funcionales de oxígeno y reparando los agujeros de su estructura mediante distintos tratamientos (químicos o electroquímicos, entre otros). De este modo nuestra autopista se queda sin apenas árboles (algunos no se pueden eliminar) y, aunque no puedes conducir tan rápido como en la autopista de grafeno, por lo menos puedes circular. Estas propiedades dan paso a la producción de un nuevo material denominado Oxido de Grafeno Reducido (OGR). Este material, debido al arreglo de sus defectos y al preciso control del nivel de grupos funcionales, resulta muy reactivo a interacciones moleculares, es conductor eléctrico y térmico, y activo electroquímicamente. Ha permitido la producción de sensores flexibles y baratos, baterías (supercapacitores) que se pueden cargar y descargar muy rápidamente, mejorar la funcionalidad de células solares, y hasta ser utilizados en aplicaciones antibacterianas. Cabe remarcar que OGR puede ser utilizado como red de soporte y ser dopado con otros átomos como el boro, nitrógeno, azufre (entre otros, la familia del Grafeno no para de crecer) para formar otros materiales con aplicaciones específicas – la carretera se dopa con árboles de otras especies. Una vez que esta familia de materiales 2D con distintas estructuras atómicas y dopajes químicos pueden ser procesados como tintas, podemos construir fácilmente matrices estructurales en 3D y de este modo pasar de una escala nano a la micro y macroestructura. De estos nanomateriales se pueden producir espumas, esponjas o películas, de fácil manipulación para los humanos, pero con propiedades excepcionales debido a sus estructuras específicas nano/micro.

A modo de breve conclusión, los tres aspectos mencionados con anterioridad: 1) posibilidad de producir tintas; 2) posibilidad de dopar químicamente; 3) posibilidad de transformar la estructura intrínseca en dispositivos 3D micro o macro, abren la puerta a desarrollar infinitas configuraciones para aplicaciones específicas.

Imagen: Soumac

Materiales en base a grafeno para el tratamiento del agua

Tanto el OG como el OGR han sido ampliamente explorados para el tratamiento del agua y una de sus aplicaciones más estudiadas es para la producción de nuevas membranas de filtración. Membranas basadas en OG y OGR se han utilizado tanto para la separación por filtración en función del tamaño de las distintas moléculas como para la degradación electroquímica de contaminantes. El OGR, al igual que el OG, tiene propiedades antibacterianas y anti-ensuciamiento, y además puede llegar a evitar la corrosión y ser impermeable a ácidos en función de su microestructura. El OG suspendido en agua puede ser fácilmente filtrado sobre papel de filtro y utilizado como membrana donde los átomos de oxígeno introducen una distancia entre las capas atómicas de carbono. La distancia entre capas de carbono tan precisa puede ser diseñada para permitir pasar a algunas moléculas y retener otras en función de su tamaño; y por ello se han aplicado para la desalinización y la eliminación de contaminantes. Este material también se ha utilizado para controlar la permeabilidad del agua usando electricidad al colocarlo entre dos electrodos y controlar la carga eléctrica en el espacio entre las capas. Utilizando el mismo sistema de membranas con un electrodo de OGR, se pueden degradar electroquímicamente contaminantes cuando pasan a su través. De hecho, la electroquímica es un tema puntero de investigación en el campo del agua porque ofrece un amplio abanico de ventajas respecto a otras tecnologías existentes. Por ejemplo, el único reactivo que utilizan los sistemas electroquímicos son los propios electrones y son capaces de degradar los compuestos más persistentes, como las sustancias poli y perfluoralquilos. Las espumas en base OGR u otras macroestructuras que pueden ser dopadas o no, son candidatos ideales para la degradación electroquímica de contaminantes persistentes en agua. Debido a los grupos funcionales y su estructura desordenada añadido a la estructura 3D con una enorme área superficial, las espumas de OGR poseen puntos catalíticos adicionales que promueven la degradación de contaminantes persistentes, la (electro)sorción y eliminación de metales pesados, y la muerte de bacterias. Las espumas de OGR también pueden ser diseñadas para ser altamente hidrofóbicas, y entonces se aplican para la adsorción y eliminación de aceites del agua.

Las membranas, espumas, esponjas, dopadas o no, basadas en tecnología de OG u OGR mencionadas con anterioridad pueden cambiar el concepto de tratamiento del agua, la reutilización y el suministro, teniendo en cuenta su versatilidad, capacidad infinita de adoptar distintas formas, y facilidad de manejo. OG y OGR son los materiales base más versátiles para la síntesis de coberturas, compositos, y arquitecturas 3D. Con unas expectativas de expansión significativa del mercado para el grafeno en 5-10 años, resulta razonable asumir que la producción a larga escala del OG se expandirá, rebajando costes y convirtiéndolo en una opción todavía más viable económicamente para el tratamiento del agua.

Detalle de la red de una membrana de grafeno. Fuente: Flickr

Superar el reto de la escasez del agua y la contaminación en la gestión de los recursos hídricos requiere una apuesta pionera por las tecnologías más avanzadas de tratamiento del agua. La opción de llevar a cabo una gestión más localizada del ciclo del agua y la introducción de sistemas distribuidos de tratamiento está cada vez más reconocida frente al sistema convencional de tratamiento centralizado al final del colector que se implementó a partir de mediados del siglo XIX. La aplicación de sistemas descentralizados de tratamiento y reutilización como la recogida de aguas pluviales, o la separación, tratamiento y reutilización de aguas grises, representan una oportunidad para adaptarse mejor a la escasez de agua, la precipitación impredecible, y otras consecuencias del cambio climático. Tecnologías inteligentes y de bajo coste como las membranas, espumas y esponjas basadas en OG y OGR, con o sin aplicación de corriente, pueden facilitar un uso seguro y sostenible de los recursos hídricos, disminuyendo nuestra dependencia de las redes centralizadas de agua y energía, y minimizando el impacto ambiental de nuestro consumo de agua.

¿Y ahora qué futuro nos espera?

Además de las aplicaciones basadas en agua, los materiales basados en grafeno han sido foco de atención en el campo de los supercapacitores, los paneles solares, la captación y almacenamiento de energía y los actuadores (materiales que cambian la forma dependiendo del medio). Los sensores basados en OGR, con una impresión personalizada en base a la estructura propuesta o la realidad ambiental, pueden determinar simultáneamente presión, movimiento, humedad, temperatura, cambios en pH, y presencia de bacterias, parámetros vitales para la monitorización del tratamiento de aguas y aguas residuales en los sistemas de distribución. La monitorización y los sistemas de tratamiento en general necesitan estar conectados a una fuente de energía, hecho que le da otra ventaja significativa al OGR: puede producir pequeñas cantidades de energía debido al movimiento del agua, el gradiente de humedad y la presión, o puede aumentar la eficiencia de las tecnologías de energía renovable. La energía producida puede ser almacenada en supercapacitores de carga/descarga rápida, para encender aparatos que dependan de la energía como los sensores o las redes de transmisión de señal. Energía, sensorización, y tratamiento de agua añadido a las propiedades mecánicas de los materiales basados en grafeno como la flexibilidad y la fuerza, abren la puerta a su incorporación en sistemas y locales de difícil implementación/acceso. Los dispositivos multi-tarea auto-alimentados basados en grafeno para la monitorización ambiental y el tratamiento de agua y aguas residuales, supondrán un gran paso adelante y pueden jugar un papel ganador en la lenta pero a su vez inevitable transición hacia un mundo más sostenible. La Industria en el campo del agua en general ha estado menos predispuesta a cambios disruptivos, por o que la investigación académica emergente y las empresas spin-off afrontan una larga travesía para llegar al mercado y sustituir las tecnologías existentes. Sin embargo, la facilidad para la integración y disponer de distintas funcionalidades en un único dispositivo pueden ser factores determinantes para traducir esta investigación en aplicaciones de nuestro día a día y un complemento a las soluciones actuales. Con la evolución de las Tecnologías de la Información, 5G y la inteligencia artificial, la monitorización en línea y en tiempo real permitirá evitar problemas como las pérdidas en las tuberías o la detección de compuestos tóxicos vertidos a una red de distribución de agua o hasta la variación de virus/bacterias en corrientes de aguas. Juntándolo todo, uno se puede imaginar la monitorización y tratamiento avanzado y descentralizado de agua utilizando sistemas modulares que son versátiles, pudiendo tratar y detectar, al mismo tiempo que son eficientes e independientes de la energía. En general, la posibilidad de aplicar estos sistemas en distintos contextos mundiales y con distintos puntos de vista, tanto para gente con un elevado nivel de vida como para comunidades rurales de difícil acceso, supondrá un progreso para la accesibilidad al agua y a la reutilización.

Detalle de espuma de grafeno. Fuente: Nature

Aunque todavía hay mucho campo por investigar para alcanzar una mayor generación de energía a través de los dispositivos de grafeno, y un menor consumo de los sistemas electroquímicos de tratamiento de agua utilizando estructuras electrocatalíticas más eficientes, la combinación de estas propiedades con la habilidad ilimitada de darle forma, pintar o hacer patrones de estas estructuras en arquitecturas futurísticas, supondrán un gran impacto en la manera de considerar el tratamiento del agua. Diseño, Arquitectura y Ciencia, de la mano de la imaginación y creatividad de la Sociedad para rediseñar como utilizamos el tratamiento del agua a nivel individual con plataformas personalizadas eficientes desde un punto de vista energético, supone el objetivo a alcanzar. Suministrando herramientas a la sociedad, y permitiendo a la gente que sea el ingeniero de su propio sistema de tratamiento del agua, cambiará nuestra percepción del recurso y nos permitirá hacer frente a alguno de los mayores retos relacionados con el impacto ambiental de la gestión y tratamiento del agua, haciendo del nuestro un mundo más sostenible. ¿jugará el grafeno un papel clave en este juego para cambiar el futuro? No lo podemos asegurar, pero preguntas y respuestas emergerán de las infinitas posibilidades que ponemos encima de la mesa..

¿Te imaginas que puedes imprimir tu propio sistema de tratamiento del agua? Ya puedes empezar a hacerlo…

Artículo escrito por Jelena Radjenovic y Luis Baptista-Pires

RECONOCIMIENTOS:

  • Los autores quieren agradecer el apoyo del Departament d’Economia i Coneixement del Gobierno catalán a través del Grupo de Investigación Consolidado (ICRA-TECNOLOGÍA – 2017 SGR 1318).

Desi Esclapez: «el gemelo digital es una tecnología revolucionaria»

Desi Esclapez – Depuración de Aguas del Mediterráneo

Hablamos con Desi Esclapez, Gestora de Innovación de DAM-Aguas, sobre el gemelo digital o Digital Twin, una herramienta tecnológica con mucho potencial para la toma de decisiones en tiempo real en infraestructuras, entre ellas las depuradoras. Concretamente esta tecnología se ha probado en la EDAR de Alzira liderada por GAIA y la participación de DAM, el Catalan Water Partnership, INNOVAE y SASTESA, dando muy buenos resultados hasta el momento.

Más INFO:

Agència Catalana de l’Aigua (I): Saneamiento

Volvemos de Semana Santa con un post muy especial, un diálogo muy interesante entre Jordi Robusté y Marc Moliner, dos expertos del Departamento de Explotación de Sistemas de Saneamiento de la Agència Catalana de l’Aigua (ACA), que hacen un repaso de los últimos treinta años en materia de depuración de aguas.

Este diálogo estrena una serie de cuatro posts dedicados a la ACA, empresa pública de la Generalitat de Catalunya, encargada desde el año 2000 de la planificación y la gestión del agua de acuerdo con los principios básicos de la Directiva Marco.

El resto de posts irán dedicados a:

  • Presas y Embalses
  • Evolución de las masas de agua en las CCII
  • Aguas regeneradas y reutilización
COMPLEMÉNTALO:


Sistemas autónomos de saneamiento

Foto: Edward Mcmaihin

En un reciente post mencioné la existencia de los Sistemas Autónomos de Saneamiento. Qué son, qué tipos hay y cuando se utilizan es de lo que os hablaré hoy. Vamos allá.

Hace unos 10 años, ante la falta de regulación clara sobre las solicitudes de vertido de aguas residuales domésticas que no podían conectarse a la red de saneamiento pública, la Agencia Catalana del Agua optó por desarrollar una Instrucción Técnica aclarando todos los aspectos relacionados con esta problemática: la IT Aplicable al Saneamiento Doméstico Autónomo.

Este documento facilitó las cosas a los técnicos que tenían que aprobar las solicitudes y a los afectados que tenían que instalar estos sistemas, ofreciéndoles una guía básica de apoyo por donde empezar a trabajar.

LÍMITE DE APLICACIÓN Y TIPOLOGÍA DE ESTABLECIMIENTOS

A partir del concepto habitante-equivalente se calculó su número en función de la tipología de uso o actividad:

Esta IT aplica hasta 80 h-e, asumiendo que a partir de esta cifra se tendría que plantear la conexión a la red pública de saneamiento.

SISTEMAS DE DEPURACIÓN

1. Pretratamientos

Aquí tenemos a rejas y filtros por un lado y flotadores desengrasadores por el otro. En estos últimos y por la elevada presencia de aceites y grasas es obligatorio en restaurantes, hoteles, casas rurales y todos los establecimientos donde se sirvan comidas para terceros.

Desengrasadores por flotación. Fuente: Matelco

2. Tratamientos primarios

Tienen el objetivo de eliminar la materia en suspensión insoluble mediante un tratamiento físico de separación/flotación y uno de biológico de fermentación mediante las bacterias presentes en el agua.

En este caso disponemos de fosas sépticas y pozos decantadores.

Fosa séptica. Fuente: Home Interior Pedia

3. Sistemas biológicos compactos

Aquí entran en acción los sistemas prefabricados que se montan en destino y quedan enterrados bajo la superfície. Hay de muchos tipos pero los más habituales son:

  • Filtros percoladores: el flujo de agua se dispersa sobre un material inerte donde crece una capa bacteriana que elimina la materia orgánica presente en esta agua.
  • Lodos activos: el agua residual está dentro de un depósito con lodos activos (bacterias). Esta mezcla se airea para oxidar la materia orgánica.
  • Biodiscos: cubeta plana de agua residual donde se sumergen hasta la mitad una serie de discos verticales solidarios a un eje central que va dando vueltas. El biofilm que se forma en la superficie de los discos entra en contacto de forma regular con el agua y con el aire, consiguiendo el objetivo de eliminación de materia orgánica.

Biodiscos

4. Sistemas biológicos de infiltración

Posterior al pretratamiento, el efluente se trata mediante infiltración en el medio poroso, normalmente el subsuelo. De esta forma se consigue retener los sólidos en suspensión y eliminar la materia orgánica.

Hay diferentes opciones: las zanjas, que permiten infiltrar en terrenos de poca profundidad; los pozos y cámaras de infiltración, en los cuales el agua atraviesa varias capas de gravas de diferente tamaño hasta infiltrarse en el terreno; y finalmente los lechos filtrantes, donde se sustituye una parte del suelo superficial poco permeable por un lecho de material arenisco para que el efluente pueda percolar.

Detalle de tubería perforada en una zanja. Fuente: Wikihow

5. Sistemas biológicos filtrantes drenados

Cuando el terreno no tiene suficiente permeabilidad para garantizar ni la depuración ni la evacuación del efluente, hay que reconstituirlo mediante la combinación de un lecho de material arenisco y un sistema de tuberías para su correcta evacuación.

Esquema de infiltración drenado. Fuente: ResearchGate

CONCLUSIONES

Vistos todos los tratamientos hay que seleccionar la mejor combinación para cada caso en particular. Por eso hay en la IT un anexo con el esquema de aplicación en función de los h-e: