El acceso confiable a agua potable, limpia y segura, es uno de los problemas más importantes para nuestra sociedad global, siendo la contaminación una de sus causas principales. De acuerdo con las Naciones Unidas, el 80% de las aguas residuales a nivel mundial regresan al ecosistema sin ser tratadas [1].
Se estima que cada día se descargan en cursos de agua unos 2000 millones de toneladas de desechos humanos globalmente. El resultado es una seria contaminación orgánica que afecta a aproximadamente una séptima parte de todos los cursos fluviales de África, Asia y América Latina. Situación que se viene agravando desde hace años. [2]
De acuerdo con cálculos de la Organización Mundial de la Salud, al menos 1 700 millones de personas consumieron agua de una fuente contaminada con heces en el 2022 a nivel global. El agua fresca contaminada microbiológicamente puede transmitir enfermedades como la diarrea, el cólera, la disentería, la fiebre tifoidea y la polio. Se estima que solo la diarrea causa 505 000 muertes al año, aproximadamente. [3]
El incremento de la contaminación de las fuentes de agua fresca va a obligar, en unos casos, a complementar los procesos tradicionales de coagulación, floculación y filtración de arena con otros no convencionales. En otros se exigirá el empleo exclusivo de tecnologías emergentes. De otro modo, resultará más difícil de alcanzar los Objetivos de Desarrollo Sostenible (ODS-6) que sitúan las cuestiones de calidad del agua en el primer plano de la acción internacional [4].
El empleo de membranas para el tratamiento de agua
Recientemente, la tecnología basada en membranas está cobrando más relevancia como método eficaz para lograr que los procesos convencionales de potabilización y el tratamiento de aguas residuales satisfagan las crecientes demandas de agua limpia, minimizando los efectos ambientales negativos [5]. Las membranas son láminas de material delgado y poroso capaces de separar los contaminantes del agua cuando se aplica una fuerza impulsora, tal como se muestra en la figura 1a y 1b.
En un contexto de incremento de contaminantes en el agua, los procesos de separación por membranas podrían actuar como refuerzo a los tratamientos convencionales basados en coagulación, floculación, sedimentación y filtración usados en grandes plantas de tratamiento. De la misma forma, podrían emplearse como unidades modulares descentralizadas para atención de poblaciones dispersas de acuerdo a lo mostrado en la figura 1c y 1d.
Figura 1: (a) y (b) Esquema de filtrado de agua potable, adaptado de [12]. (c) Planta convencional mejorada mediante la incorporación de unidades de ultrafiltrado (UF) y ósmosis reversa (RO) basados en membranas; (d) planta modular descentralizada, adaptado de [13]
Suelen reconocerse como ventajas de las tecnologías de membrana la simplicidad de funcionamiento, el bajo consumo de energía, la alta estabilidad en diversas circunstancias operativas, la alta ecocompatibilidad, la escalabilidad, la facilidad de control y la gran adaptabilidad.
Hacia membranas sustentables
A pesar de las ventajas y beneficios de la tecnología de membranas, la mayoría del tipo comercial se sintetizan y fabrican empleando materiales no degradables biológicamente. Los polímeros no biodegradables comúnmente utilizados incluyen fluoruro de polivinilideno (PVDF), polisulfona (PSF), polietersulfona (PES), la polifenilsulfona, polipropileno, alcohol polivinílico, poliestireno y poli(1,5-diaminonaftaleno), entre otros [6].
Además, la mayoría de las membranas sintéticas poseen propiedades hidrofóbicas, lo cual hace que sean susceptibles al “fouling” (atoro de sus poros) por parte de las partículas en suspensión. Desafortunadamente, una vez que los microcontaminantes se depositan en las superficies de las membranas, la permeabilidad al agua se ve comprometida. En consecuencia, aumenta la necesidad de su limpieza frecuente, incrementando así los costos de mantenimiento del sistema de filtrado [6].
Como respuesta, la investigación avanza hacia el desarrollo de nuevos enfoques de filtración por membrana basados en el uso de biopolímeros o polímeros de mezcla de geles ecológicos. Otro aspecto en el que estos materiales resultan útiles es la reducción del “fouling” de la membrana [7].
Tecnología de membranas en países en desarrollo
Una característica socioeconómica importante de los países en desarrollo es la significativa población que vive en zonas rurales o remotas. Si bien la tecnología de membranas se presta, técnicamente, muy bien para la implementación de sistemas de tratamiento de agua descentralizados a pequeña escala, sus costos de inversión y operación son excesivos para esas economías [8].
El Programa de las Naciones Unidas para el Desarrollo (PNUD) ha sugerido que el costo del agua no debe exceder el 3% de los ingresos del hogar [9], lo cual es una valla bastante alta para la masificación de las tecnologías de tratamiento de agua basadas en membranas.
No cabe duda de que las tecnologías basadas en membranas se abaratarán en el futuro, haciendo su empleo sostenible en zonas rurales o alejadas de escasos recursos. Entre tanto soluciones ingeniosas como la reutilización de hemodializadores, están preparando el camino para el uso generalizado de filtros de membrana en el medio rural [10].
Finalmente, un filtro de hidrogel para la purificación sostenible de agua
El 19 de enero de 2024, un grupo de investigadores de la universidad de Austin en Texas publicó un artículo en la revista Nature Sustainability [11] en el cual afirmaban haber logrado una solución de filtrado de agua, basado en membranas, realmente asequible. Consiste en un novedoso filtro de membrana constituido por hidrogel y nanofibras por el cual se hace fluir el agua con la ayuda de una jeringa de gran tamaño, logrando remover los sólidos en suspensión ultrafinos tal como se muestra en la figura 2.
Figura 2. a) Representación esquemática del dispositivo b) fotografía digital del BNHF. c) modelo a mayor escala usando una jeringa de 1.5 litros. Tomado de [11].
Refiriéndose a los móviles de su investigación, el profesor Guihua Yu —miembro del equipo de investigación— dijo: “La apremiante preocupación por el agua contaminada con partículas, particularmente en regiones remotas y subdesarrolladas, donde la gente frecuentemente depende de fuentes de agua contaminadas para su consumo; exige atención y reconocimiento inmediatos”.
Este dispositivo utiliza una red entrelazada de fibras de nanocelulosa contenidas en una película de hidrogel con un soporte de membrana microporosa, tal como se muestra en la figura 3. Las características más destacables de este sistema al cual denominan BNHF (bio-based nanofibre hydrogel filter) son:
- Alta eficiencia de rechazo (rejection efficiency) de casi el 100 % para partículas de más de 10 nm (0.01 µm).
- Velocidad de flujo significativamente elevada, alcanzando el valor de 90.6 g cm−2 h−1 que es 4.4 veces mayor que los métodos de filtración al vacío estándar y 7.2 veces superior que el de la membrana de ultrafiltración de policarbonato comercial operada en las mismas condiciones.
Figura 3. a) y b) Imágenes SEM de la superficie de la película de hidrogel de nanofibras de celulosa; c) Imágenes de micro-CT de rayos X de la película de nanofibras de celulosa sobre la membrana microporosa vistas desde diferentes perspectivas seccionales. Tomado de [11]
Pensando en su asequibilidad para comunidades dispersas, los investigadores crearon el filtro de hidrogel empleando materiales económicos y fácilmente disponibles. Asimismo, fue concebido para que sea biodegradable y utilizable hasta 30 veces.
Este dispositivo portátil —dicen los investigadores— ofrece ventajas significativas en costo, simplicidad, efectividad y sostenibilidad en comparación con las opciones comerciales existentes, brindando a los usuarios la capacidad de descontaminar fácilmente el agua de arroyos y ríos cercanos y hacerla potable.
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[1] WWAP (United Nations World Water Assessment Programme). The United Nations World Water Development Report 2017. Wastewater: The Untapped Resource. Paris: UNESCO, 1017. ISBN: 978-92-3-100201-4
[2] UN Environment Programme. Freshwater. UN Environment Programme [online]. N.d. [accessed 20 Feb 2024].
[3] World Health Organization. Drinking-water. World Health Organization [online]. 13 Sep 2023. [accessed 20 Feb 2024].
[4] UNESCO. The global water quality challenge & SDGs. UNESCO [online]. N.d. [accessed 20 Feb 2024].
[5] Shehata, N.; Et Al. Membrane-based water and wastewater treatment technologies: Issues, current trends, challenges, and role in achieving sustainable development goals, and circular economy. Chemosphere. Apr 2023, 320, 137993. doi: 10.1016/j.chemosphere.2023.137993. ISSN: 0045-6535
[6] Mamba. F. B.; Mbuli, B. S.; Ramontja, J. Recent Advances in Biopolymeric Membranes towards the Removal of Emerging Organic Pollutants from Water. Membranes. 2021, 11(11), 798. Doi:10.3390/membranes11110798
[7] Rando, G.; Sfameni, S.; Plutino, M.R. Development of Functional Hybrid Polymers and Gel Materials for Sustainable Membrane-Based Water Treatment Technology: How to Combine Greener and Cleaner Approaches. Gels. 2023, 9(1), 9. doi: 10.3390/gels9010009
[8] Othman, N. H.; Et Al. A Review on the Use of Membrane Technology Systems in Developing Countries. Membranes. 2022, 12(1), 30. doi: 10.3390/membranes12010030
[9] United Nations. Global Issues, Water. United Nations [online]. N.d. [accessed 20 Feb 2024].
[10] Raimann, J. G.; Et Al. Public health benefits of water purification using recycled hemodialyzers in developing countries. Sci Rep. 2020, 10, 11101. doi: 10.1038/s41598-020-68408-1
[11] Jiang, M.; Et Al. A bio-based nanofibre hydrogel filter for sustainable water purification. Nat Sustain. 2024, 7, 168–178. doi: 10.1038/s41893-023-01264-9
[12] Mazille, F.; Spuhler, D. Membrane Filtration. Sustainable Sanitation and Water Management Toolbox [online]. N.d. [accessed 20 Feb 2024].
[13] Guimarães, R. N.; Moreira, V. R.; Amaral, M. C. S. Membrane technology as an emergency response against drinking water shortage in scenarios of dam failure. Chemosphere. 2022, 309, 1, 136618. ISSN: 0045-6535. doi:10.1016/j.chemosphere.2022.136618
