Diseñan filtros cerámicos con microcanales en forma de panal de abeja para eliminar metales pesados del agua

Un equipo de investigación de la Universidad de Cádiz en colaboración con la Universidad Abdelmalek Essaâdi de Tetuán (Marruecos) ha diseñado unos filtros cerámicos con microcanales en forma de panal para eliminar metales pesados del agua. En concreto, los científicos han desarrollado una estructura elaborada con arcillas típicas del norte de Marruecos que adsorbe cadmio y plomo de entornos acuáticos contaminados, como ríos o lagos. Además, se trata de una propuesta barata, accesible y fácil de producir, por lo que puede emplearse para purificar el agua en países con bajos recursos económicos.

Imagen de las arcillas empleadas y de los filtros monolíticos con forma de panal de abeja fabricados a partir de las mismas.

La novedad que proponen los investigadores es la combinación de dos arcillas para desarrollar un material cerámico tubular, llamado monolito y cuyo interior contiene unos 40 ó 50 canales por centímetro cuadrado (es decir, del tamaño de una aguja o alfiler) dispuestos paralelamente, proporcionando una sección exterior abierta que recuerda a los panales de las abejas. Este material puede emplearse como filtro en las corrientes de salida de agua de numerosas industrias, como el chapado de metales, minería, curtidurías, síntesis de fertilizantes, fabricación de papel, de baterías, de pesticidas, entre otras, que contaminan los espacios acuáticos naturales.

También es destacable que los filtros se obtienen mediante un procedimiento de extrusión -con un funcionamiento similar a las churreras- aplicado a la pasta de arcilla que se obtiene sólo mediante su mezcla con agua, esto es, sin la necesidad de añadir ningún reactivo químico. “Antes de su empleo, el filtro debe terminar de formarse mediante calentamiento al aire, a una temperatura de aproximadamente 400 ºC, muy inferior a la que se necesita habitualmente para elaborar otros filtros cerámicos comerciales con formas similares”, explica a la Fundación Descubre el investigador de la Universidad de Cádiz Hilario Vidal.

Esquema del dispositivo experimental empleado para la eliminación de metales pesados disueltos en agua.

Los investigadores explican que tradicionalmente los absorbentes se emplean en forma de polvo o de pellets (gránulos), pero tanto de una como de otra forma el material es difícil de recuperar cuando ya no funciona. La ventaja del filtro monolítico es que llega a retener hasta 1,2 miligramos de plomo y 4,6 miligramos de cadmio por gramo de arcilla, esto es, el equivalente a 100 gotas de agua. El diseño abierto del material permite tratar caudales elevados y, una vez agotado, el cartucho se puede sustituir con facilidad.

Recurso natural

Los investigadores añaden que el precio de estas arcillas naturales, materia prima con la que se elaboran los monolitos, puede ser tan bajo como el de pocas decenas de euros por tonelada. “Los países más desarrollados poseen otras tecnologías y materiales más sofisticados, como los carbones activos, para que llegue agua limpia a los hogares, pero para los países en vías de desarrollo es mucho más difícil acceder a estos recursos. Con los monolitos de arcilla, se puede paliar este problema”, comenta Hilario Vidal.

Máquina extrusora y boquillas empleadas para la fabricación de los filtros.

Tal y como señalan en ‘Clay honeycomb monoliths for the simultaneous retention of lead and cadmium in water’ y publicado en Environmental Technology & Innovation, los científicos emplean illita-esmectita y estevencita, dos minerales compuestos por silicatos, para elaborar los monolitos. Aunque realizaron el estudio con arcillas procedentes del norte de Marruecos, los expertos afirman que estos sedimentos pueden encontrarse en varios países del mundo, España entre ellos. “Queríamos un material que fuera común y fácil de obtener en distintos países, que adsorbiera y redujera de forma natural metales pesados como el plomo y el cadmio sin perjudicar al medio ambiente y que requiriese poco consumo energético”, añade Hilario Vidal.

Bajo coste

Los expertos han probado este material arcilloso a escala de laboratorio para filtrar plomo y cadmio, pero afirman que podría adsorber otros metales como el níquel o el molibdeno, además de sustancias orgánicas tóxicas tales como colorantes y derivados fenólicos. Además, puede ser una alternativa a otros materiales con los que se fabrican y comercializan filtros cerámicos similares pero de mayor coste como es el caso de las cordieritas, habitualmente empleadas en los tubos de escape de los coches.

El siguiente paso de los investigadores del grupo ‘Química de Sólidos y Catálisis’ será desarrollar monolitos con arcillas procedentes de yacimientos españoles de Toledo y Jaén con el fin de eliminar antibióticos, que en altas concentraciones pueden ser nocivos para el medioambiente.

Este trabajo fue financiado en parte por el Ministerio de Ciencia e Innovación (Projects PID2020-113006-RB-I00 and PID2020-115843-RB-I00), la Consejería de Universidades, Investigación e Innovación de la Junta de Andalucía y el Instituto de Microscopía Electrónica y Materiales de la Universidad de Cádiz (proyectos HOMOGREEN, NUPRECAT y BIOSENSEP).

Referencias

Ahrouch, M.; Gatica, J. M.; Draoui, K.; Bellido-Milla, D. & Vidal, H. (2022). ‘Clay honeycomb monoliths for the simultaneous retention of lead and cadmium in water’. Environmental Technology & Innovation, 27, 102765.

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