BúsquedaDurante los últimos años se nos ha sensibilizado sobre la preservación del medio ambiente, para que los recursos naturales que disponemos y benefician subsistan, pensando además en las futuras generaciones. No obstante, ha existido bastante omisión, reflejándose en nuestro consumismo excesivo, incumplimiento de leyes, falta de rigurosidad de las autoridades y una buena consciencia. Por la sobreexplotación consecuentemente suceden sequias, huracanes, intensas lluvias, olas de calor, inundaciones, temperaturas bajas, entre otros.
Por otro lado, está el alto consumo y desperdicio del agua, que provoca la escasez de este líquido vital en distintos lugares del planeta. El agua potable es una molécula compuesta por dos átomos de hidrógeno y uno de oxígeno, más cuando ésta se contamina con otras sustancias (grasas, aceites, hidrocarburos, colorantes, fármacos, metales pesados, ácidos, bases, etc.,) queda inservible, y pasa a ser agua residual. Cuando el agua residual es vertida al ambiente sin ningún tratamiento previo, inmediatamente lo daña o modifica. Una de las alternativas para un segundo uso, es darle un tratamiento adecuado que cumpla con la normatividad para ser vertida, ya sea en las aguas y bienes nacionales, en alcantarillado urbano o municipal, o en el reúso en servicios al público. Los tratamientos que se aplican con regularidad son: los biológicos, los de oxidación avanzada y los electroquímicos. Desafortunadamente, cuando el agua contiene alta carga orgánica y muchos otros contaminantes, no es suficiente aplicar un solo tratamiento, es necesario proponer un tren de tratamiento donde se mezclen íntegramente la demanda del consumidor, la eficiencia, la sustentabilidad, y el cuidado del medio ambiente.
Uno de los sistemas promisores para dar tratamiento al agua residual son los sistemas bioelectroquímicos, específicamente las celdas de combustible microbianas. Las celdas de combustible microbianas están compuestas de dos cámaras: (a) la anódica, en la cual están los microorganismos y el agua residual, en esta zona se oxida la materia orgánica hasta generar CO2, a través de la interacción de los microorganismos con el electrodo anódico. En la cámara anódica los microorganismos forman una biopelícula que crece en la superficie del electrodo transfiriéndole los electrones, este proceso es el vínculo electroquímico, el cual es un factor crucial que determina la conversión de la materia orgánica presente en el agua residual en bioenergía. Por otro lado, (b) en la cámara catódica se encuentran el oxígeno, los electrones y los protones, ahí se reduce el oxígeno para generar agua, y calor. Sin embargo, el buen desempeño de estos sistemas depende de las reacciones de óxido/reducción que ocurren en cada una de las cámaras de la celda. Por ejemplo, en el caso de la cámara anódica es necesario tomar en cuenta los siguientes aspectos: tipo de microorganismos (puro o consorcios), tipo de agua residual (contaminante modelo o agua residual real proveniente de un proceso industrial), concentración de la carga orgánica, condiciones de operación (pH, temperatura, agitación, etc.), diseño de la celda, substratos adicionales, el intercambio iónico a través de la membrana (cuando se usa), resistencia interna o externa de la celda, material de los electrodos y distancia entre los electrodos. En el caso específico de los electrodos, elegir un material que presente:
(a) Alta biocompatibilidad con los microorganismos.
(b) Gran área superficial electroactiva.
(c) Conductividad eléctrica alta.
(d) Toxicidad baja o nula.
(e) Estabilidad química y durabilidad.
(f) Flexibles.
(g) Resistencia a la corrosión.
(h) Libre de mantenimiento durante el proceso.
(i) Grosor adecuado que presenta baja o nula resistividad.
(j) Abundancia del material.
(k) Sustentabilidad y cuidado con el medio ambiente.
(l) De fácil obtención.
Con ello, se deduce que el diseño de los materiales que se van a emplear como electrodos, influyen bastante en la eficiencia que entregará la celda en el tratamiento del agua residual.
Desde hace varias décadas la nanotecnología ha revolucionado el desarrollo tecnológico, introduciendo nanomateriales útiles en diferentes áreas como: la salud, la generación de energía, los alimentos, el diseño de autos, etc. En vista de que los nanomateriales presentan muchas de las características antes mencionadas, tienen ventaja significativa sobre los materiales que no son de tamaño nanométrico. Profundizando aún más en los nanomateriales, su metodología de preparación puede ser por: (a) síntesis, (b) depósito químico, (c) electrodepósito, (d) sinterización, (e) ultrasonido, (f) anodización y (g) tratamiento hidrotermal, los cuales dependerán del medio de disolución, de la materia prima a reaccionar, de su pH, y temperatura. Los nanomateriales que mejores características han presentado para la reacción anódica de los sistemas bioelectroquímicos son a base de carbono: fieltro de grafito, óxido de grafeno, nanotubos de carbono y últimamente, se le está dando principal importancia a los materiales desarrollados a base de carbón, provenientes de residuos vegetales, los cuales han mostrado grandes cualidades; aunque también se han desarrollado nanopartículas metálicas y otros tipos de materiales. Como ejemplos, se tiene que la tela de carbono con nanopartículas de SnO2 mostró una eficiencia de remoción de DQO del 85.58%, nanopartículas de Au soportadas en papel carbón remueven el 100% de la materia orgánica presente en agua residual doméstica, y las nanopartículas de Ni sobre nanotubos de carbono multipared remueven el 80% de la materia orgánica de agua residual artificial.
Siendo así, un buen desempeño de los sistemas bioelectroquímicos dependerá de los nanomateriales electroquímicos usados, los cuales son esenciales para que se lleven a cabo las reacciones redox de manera eficiente. Por último, podemos concluir que los sistemas bioelectroquímicos son una alternativa novedosa, respetuosa con el ambiente y prometedora para el tratamiento de aguas residuales, tomando en cuenta las consideraciones explicadas en este artículo.
Referencias
[1] N. Khan, A. H. Anwer, A. Ahmad, S. Sabir, M.Z. Khan. (2020). Biochem. Eng. J., 155:107485.
[2] F.A. Alatraktchi, Y. Zhang, I. Angelidaki. (2014). Appl. Energy 116:216-222.
[3] R. Aryal, D. Beltran, J. Liu. (2019) I. J. Green Energy. https://doi.org/10.1080/15435075.2019.1671412
* CONACYT-Centro de Investigación y Desarrollo Tecnológico en Electroquímica, S.C. (CIDETEQ)
Parque Tecnológico Querétaro, Sanfandila, Pedro Escobedo, Querétaro, México, 76703.
Subdirección de Agua y Medio Ambiente. Dirección de Ciencia.
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