La nanorremediación es el uso de nanopartículas para la remediación ambiental . Se está explorando para tratar aguas subterráneas , aguas residuales , suelos , sedimentos u otros materiales ambientales contaminados. [1] [2] La nanorremediación es una industria emergente; para 2009, se habían documentado tecnologías de nanorremediación en al menos 44 sitios de limpieza en todo el mundo, predominantemente en los Estados Unidos. [3] [4] [5] En Europa, la nanorremediación está siendo investigada por el Proyecto NanoRem financiado por la CE. [6] Un informe elaborado por el consorcio NanoRem ha identificado alrededor de 70 proyectos de nanorremediación en todo el mundo a escala piloto o completa. [7] Durante la nanorremediación, un agente de nanopartículas debe ponerse en contacto con el contaminante objetivo en condiciones que permitan una reacción de desintoxicación o inmovilización. Este proceso generalmente implica un proceso de bombeo y tratamiento o una aplicación in situ .
Algunos métodos de nanorremediación, en particular el uso de hierro de valencia cero nanométrica para la limpieza de aguas subterráneas, se han implementado en sitios de limpieza a gran escala. [2] Otros métodos aún permanecen en fases de investigación.
La nanorremediación ha sido ampliamente utilizada para el tratamiento de aguas subterráneas, con investigaciones adicionales extensas en el tratamiento de aguas residuales . [5] [8] [9] [10] La nanorremediación también se ha probado para la limpieza de suelos y sedimentos. [11] Incluso más investigaciones preliminares están explorando el uso de nanopartículas para eliminar materiales tóxicos de los gases . [12]
En la actualidad, la remediación de aguas subterráneas es la aplicación comercial más común de las tecnologías de nanorremediación. [7] [8] El uso de nanomateriales , especialmente metales de valencia cero (ZVM), para la remediación de aguas subterráneas es un enfoque emergente que es prometedor debido a la disponibilidad y eficacia de muchos nanomateriales para degradar o secuestrar contaminantes. [13]
La nanotecnología ofrece la posibilidad de tratar eficazmente los contaminantes in situ , evitando la excavación o la necesidad de bombear agua contaminada fuera del suelo. El proceso comienza con la inyección de nanopartículas en un acuífero contaminado a través de un pozo de inyección. Luego, las nanopartículas son transportadas por el flujo de agua subterránea hasta la fuente de contaminación. Al entrar en contacto, las nanopartículas pueden secuestrar contaminantes (a través de la adsorción o la formación de complejos ), inmovilizándolos, o pueden degradarlos a compuestos menos dañinos. Las transformaciones de contaminantes son típicamente reacciones redox . Cuando la nanopartícula es el oxidante o el reductor, se considera reactiva. [13]
La capacidad de inyectar nanopartículas en el subsuelo y transportarlas hasta la fuente contaminante es fundamental para un tratamiento exitoso. Las nanopartículas reactivas se pueden inyectar en un pozo, donde luego serán transportadas por el gradiente hasta el área contaminada. Perforar y empacar un pozo es bastante costoso. Los pozos de empuje directo cuestan menos que los pozos perforados y son la herramienta de suministro más utilizada para la remediación con nanohierro. Se puede inyectar una suspensión de nanopartículas a lo largo del rango vertical de la sonda para brindar tratamiento a regiones acuíferas específicas. [13]
El uso de diversos nanomateriales, incluidos los nanotubos de carbono y el TiO 2 , es prometedor para el tratamiento de aguas superficiales, incluida la purificación, la desinfección y la desalinización. [9] Los contaminantes objetivo en las aguas superficiales incluyen metales pesados, contaminantes orgánicos y patógenos. En este contexto, las nanopartículas se pueden utilizar como sorbentes, como agentes reactivos (fotocatalizadores o agentes redox) o en membranas utilizadas para la nanofiltración . [ cita requerida ]
Las nanopartículas pueden ayudar a detectar niveles traza de contaminantes en el campo, lo que contribuye a una remediación eficaz. Los instrumentos que pueden funcionar fuera de un laboratorio a menudo no son lo suficientemente sensibles para detectar contaminantes traza. Los sistemas de medición rápidos, portátiles y rentables para contaminantes traza en aguas subterráneas y otros medios ambientales mejorarían así la detección y limpieza de contaminantes. Un método potencial es separar el analito de la muestra y concentrarlos en un volumen más pequeño, lo que facilita la detección y la medición. Cuando se utilizan pequeñas cantidades de sorbentes sólidos para absorber el objetivo para la concentración, este método se conoce como microextracción en fase sólida . [14]
Con su alta reactividad y gran área superficial, las nanopartículas pueden ser absorbentes eficaces para ayudar a concentrar contaminantes objetivo para la microextracción en fase sólida, particularmente en forma de monocapas autoensambladas sobre soportes mesoporosos. La estructura de sílice mesoporosa , hecha a través de un proceso sol-gel con plantilla de surfactante , proporciona a estas monocapas autoensambladas una gran área superficial y una estructura rígida de poro abierto. Este material puede ser un absorbente eficaz para muchos objetivos, incluidos metales pesados como mercurio, plomo y cadmio, cromato y arseniato, y radionucleidos como 99Tc , 137CS , uranio y actínidos. [14]
El pequeño tamaño de las nanopartículas da lugar a varias características que pueden mejorar la remediación. Los nanomateriales son altamente reactivos debido a su gran área superficial por unidad de masa. [3] Su pequeño tamaño de partícula también permite que las nanopartículas entren en pequeños poros del suelo o sedimento por los que las partículas más grandes no podrían penetrar, lo que les otorga acceso a los contaminantes absorbidos por el suelo y aumenta la probabilidad de contacto con el contaminante en cuestión. [3]
Debido a que los nanomateriales son tan pequeños, su movimiento está determinado en gran medida por el movimiento browniano en comparación con la gravedad. Por lo tanto, el flujo de agua subterránea puede ser suficiente para transportar las partículas. Las nanopartículas pueden permanecer suspendidas en solución durante más tiempo para establecer una zona de tratamiento in situ . [15]
Una vez que una nanopartícula entra en contacto con el contaminante, puede degradarlo, normalmente a través de una reacción redox , o adsorberse al contaminante para inmovilizarlo. En algunos casos, como con el nanohierro magnético, los complejos adsorbidos pueden separarse del sustrato tratado, eliminando el contaminante. [12] Los contaminantes objetivo incluyen moléculas orgánicas como pesticidas o disolventes orgánicos y metales como el arsénico o el plomo . Algunas investigaciones también están explorando el uso de nanopartículas para eliminar el exceso de nutrientes como el nitrógeno y el fósforo. [12]
Se están estudiando diversos compuestos, incluidos algunos que se utilizan como partículas de tamaño macro para la remediación, para su uso en la nanorremediación. [2] Estos materiales incluyen metales de valencia cero como el hierro de valencia cero , el carbonato de calcio , compuestos a base de carbono como el grafeno o los nanotubos de carbono y óxidos metálicos como el dióxido de titanio y el óxido de hierro . [3] [12] [16]
A partir de 2012, el nano hierro de valencia cero (nZVI) fue el material a nanoescala más comúnmente utilizado en pruebas de remediación de campo y de banco. [2] El nZVI se puede mezclar o recubrir con otro metal, como paladio , plata o cobre , que actúa como catalizador en lo que se llama una nanopartícula bimetálica. [3] El nZVI también se puede emulsionar con un surfactante y un aceite, creando una membrana que mejora la capacidad de la nanopartícula para interactuar con líquidos hidrófobos y la protege contra reacciones con materiales disueltos en agua. [1] [2] Los tamaños de partículas comerciales de nZVI a veces pueden exceder las dimensiones "nano" reales (100 nm o menos de diámetro). [3]
La nZVI parece ser útil para degradar contaminantes orgánicos, incluidos compuestos orgánicos clorados como los bifenilos policlorados (PCB) y el tricloroeteno (TCE), así como para inmovilizar o eliminar metales. [3] [9] La nZVI y otras nanopartículas que no requieren luz se pueden inyectar bajo tierra en la zona contaminada para la remediación in situ de las aguas subterráneas y, potencialmente, la remediación del suelo.
Las nanopartículas de nZVI se pueden preparar utilizando borohidruro de sodio como reductor clave. Se añade NaBH 4 (0,2 M) a una solución de FeCl 3 • 6H 2 (0,05 M) (relación de volumen de ~1:1). El hierro férrico se reduce mediante la siguiente reacción:
4Fe3 + + 3BH−
4+ 9H2O → 4Fe0 + 3H2BO−
3+ 12H + + 6H 2
Las partículas de Fe paladizadas se preparan sumergiendo las partículas de hierro a escala nanométrica en una solución de etanol al 1 % en peso de acetato de paladio ([Pd(C 2 H 3 O 2 )2] 3 ). Esto provoca la reducción y deposición de Pd sobre la superficie del Fe:
Pd2 + + Fe0 → Pd0 + Fe2 +
Se pueden utilizar métodos similares para preparar partículas bimetálicas de Fe/Pt, Fe/Ag, Fe/Ni, Fe/Co y Fe/Cu. Con los métodos anteriores, se pueden producir nanopartículas de diámetro 50-70 nm. El área superficial específica promedio de las partículas de Pd/Fe es de aproximadamente 35 m 2 /g. La sal de hierro ferroso también se ha utilizado con éxito como precursor. [15]
El dióxido de titanio (TiO 2 ) también es un candidato principal para la nanorremediación y el tratamiento de aguas residuales, aunque a partir de 2010 se informó que aún no se había expandido a la comercialización a gran escala. [10] Cuando se expone a la luz ultravioleta , como la de la luz solar , el dióxido de titanio produce radicales hidroxilo , que son altamente reactivos y pueden oxidar contaminantes. Los radicales hidroxilo se utilizan para el tratamiento del agua en métodos generalmente denominados procesos de oxidación avanzada . Debido a que se requiere luz para esta reacción, el TiO 2 no es apropiado para la remediación subterránea in situ , pero puede usarse para el tratamiento de aguas residuales o la remediación de aguas subterráneas mediante bombeo y tratamiento. [ cita requerida ]
El TiO 2 es económico, químicamente estable e insoluble en agua. El TiO 2 tiene una energía de banda ancha (3,2 eV) que requiere el uso de luz ultravioleta, en lugar de luz visible únicamente, para la activación fotocatalítica. Para mejorar la eficiencia de su fotocatálisis, se han investigado modificaciones del TiO 2 o fotocatalizadores alternativos que podrían utilizar una mayor proporción de fotones en el espectro de luz visible . [9] [17] Las modificaciones potenciales incluyen dopar el TiO 2 con metales, nitrógeno o carbono. [ cita requerida ]
Al utilizar la remediación in situ , los productos reactivos deben tenerse en cuenta por dos razones. Una de ellas es que un producto reactivo puede ser más nocivo o móvil que el compuesto original. Otra razón es que los productos pueden afectar la eficacia o el coste de la remediación. El TCE (tricloroetileno), en condiciones reductoras por nanohierro, puede declorarse secuencialmente a DCE (dicloroeteno) y VC (cloruro de vinilo). Se sabe que el VC es más nocivo que el TCE, lo que significa que este proceso sería indeseable. [13]
Las nanopartículas también reaccionan con compuestos no objetivo. Las nanopartículas desnudas tienden a agruparse y también reaccionan rápidamente con el suelo, los sedimentos u otros materiales en las aguas subterráneas. [18] Para la remediación in situ , esta acción inhibe que las partículas se dispersen en el área contaminada, lo que reduce su eficacia para la remediación. Los recubrimientos u otros tratamientos pueden permitir que las nanopartículas se dispersen más y potencialmente alcancen una mayor porción de la zona contaminada. Los recubrimientos para nZVI incluyen surfactantes , recubrimientos de polielectrolitos , capas de emulsión y capas protectoras hechas de sílice o carbono . [1]
Estos diseños también pueden afectar la capacidad de las nanopartículas para reaccionar con contaminantes, su absorción por organismos y su toxicidad . [19] Un área de investigación continua involucra el potencial de las nanopartículas utilizadas para la remediación para dispersarse ampliamente y dañar la vida silvestre, las plantas o las personas. [20]
En algunos casos, la biorremediación puede utilizarse deliberadamente en el mismo sitio o con el mismo material que la nanorremediación. Las investigaciones en curso están investigando cómo las nanopartículas pueden interactuar con la remediación biológica simultánea. [21]
