Un equipo de académicos de Stanford está desarrollando una forma de hacer que las aguas residuales sean bebibles y al mismo tiempo recuperar productos valiosos, como componentes de fertilizantes.
Las aguas residuales no son solo desechos, sino que están llenas de valor oculto. Investigadores de Stanford están desarrollando resinas de vanguardia (perlas porosas que, en conjunto, actúan como un filtro de café) no solo para eliminar contaminantes, sino también para recuperar productos valiosos, como el amoníaco para fertilizantes. Dado que se prevé que la demanda mundial de agua potable superará la oferta en un 40 % para 2030, el proyecto tiene el potencial de abaratar, hacer más eficiente e incluso rentable el tratamiento del agua.
“En medio de los esfuerzos por reducir las emisiones, el consumo de energía y los costes de la fabricación de productos químicos, las resinas selectivas pueden impulsar economías circulares que convierten los contaminantes en productos utilizando aguas residuales como materia prima”, afirmó William Tarpeh , profesor adjunto de ingeniería química y uno de los investigadores principales del proyecto. “Las plantas de tratamiento de aguas residuales se están redefiniendo cada vez más como instalaciones de recuperación de recursos hídricos que generan múltiples beneficios colaterales a la vez”.
Financiado por el programa de Proyectos de Emprendimiento Ambiental del Instituto de Medio Ambiente Stanford Woods , el proyecto busca impulsar la tecnología de resinas para eliminar contaminantes con mayor precisión. Tarpeh y sus colegas investigadores han desarrollado resinas especializadas, similares a las perlas de un filtro Brita, que pueden separar sustancias químicas y compuestos nocivos. En el futuro, el equipo podría diseñar resinas para eliminar sustancias perfluoroalquiladas (PFAS), a menudo denominadas «sustancias químicas permanentes» debido a su persistencia en el medio ambiente y su naturaleza bioacumulable. Estas sustancias químicas, que se encuentran comúnmente en artículos domésticos resistentes al calor, como utensilios de cocina antiadherentes, se han incorporado a los suministros de agua de todo el país.
Imagen microscópica de perlas de resina desarrolladas en Stanford para su uso en plantas de tratamiento de agua. | Laboratorio de Eric Appel; editado por Madison Pobis
Además de mejorar la filtración, el equipo trabaja para acelerar el desarrollo de nuevas tecnologías de purificación mediante la optimización del diseño de resinas, lo que reduce los costos de fabricación de las plantas de tratamiento de agua. Este enfoque ofrece el potencial de una nueva fuente de ingresos. Por ejemplo, el amoníaco y el fósforo podrían extraerse y venderse para fertilizantes y pesticidas, respectivamente. Dado que las resinas ya se utilizan ampliamente en plantas de tratamiento de agua, esta tecnología puede integrarse perfectamente en la infraestructura existente con mínimas interrupciones, eliminando así un obstáculo para su adopción.
Colaboración en todo el campus
El laboratorio de Tarpeh se especializa en la extracción de recursos valiosos de aguas residuales y en la mejora de los métodos de filtración para que el proceso sea más eficiente y asequible para las plantas de tratamiento de aguas residuales. Ante la creciente preocupación por los contaminantes difíciles de eliminar, como las PFAS, Tarpeh vio la oportunidad de desarrollar una resina mejorada. Las resinas tradicionales son útiles para eliminar contaminantes básicos, como metales pesados, pero carecen de la selectividad necesaria para eliminar las PFAS o recuperar compuestos valiosos. Las resinas funcionan intercambiando iones indeseables, como el calcio, causante de la dureza del agua, por iones inofensivos como el sodio. Si bien son eficaces para potabilizar el agua, las resinas existentes tienen dificultades para capturar y recuperar elementos beneficiosos. Para lograrlo, necesitan una mayor selectividad.
Sin embargo, diseñar y probar resinas puede llevar meses, incluso años. Para acelerar el proceso, Tarpeh recurrió a académicos de Stanford de otros departamentos para obtener experiencia en diferentes campos y nuevas perspectivas.
Las resinas son un tipo de polímero sintético diseñado para eliminar contaminantes y materiales no deseados. Para perfeccionar esta tecnología de recuperación de recursos, Tarpeh contrató a Eric Appel , experto en polímeros y profesor asociado de ciencia e ingeniería de materiales. La investigación de Appel se centra en la ingeniería de polímeros sintéticos (moléculas largas con forma de cuerda) que se pueden ajustar fácilmente para que tengan diversas propiedades, incluyendo la imitación de polímeros biológicos naturales como las proteínas. «Podemos diseñar numerosos polímeros diferentes inspirados en organismos que filtran el agua de forma natural o en receptores biológicos que se unen a las sustancias químicas del agua», afirmó Appel.
Appel adapta las propiedades químicas de los polímeros, como su capacidad de adherirse a moléculas como los PFAS, para mejorar su eficacia en una tarea determinada. En este caso, esto implicaba aumentar la selectividad de la resina o su capacidad para distinguir entre diferentes elementos en las aguas residuales. Sin embargo, analizar estas resinas para garantizar que se dirijan al nutriente o contaminante correcto es lento y costoso, ya que cada una debe evaluarse individualmente.
“Transformar los contaminantes de las aguas residuales en productos químicos valiosos puede ayudar a alcanzar objetivos de sostenibilidad, posibilitar economías circulares y mitigar la contaminación, todo a la vez”.William TarpehProfesor asistente de Ingeniería química
Aquí es donde entra en juego Polly Fordyce , profesora asociada de bioingeniería y genética. Fordyce se especializa en el desarrollo de plataformas microfluídicas, un método para reducir los procesos biológicos y químicos a una escala miniatura. Como experta en experimentos en miniatura, Fordyce desarrolló un método para probar cientos de polímeros simultáneamente.
En lugar de usar tubos y matraces tradicionales llenos de líquido, el equipo puede trabajar con gotitas microscópicas de resina, cuyo volumen es mil millones de veces menor. Este enfoque a microescala reduce tiempo, costes y materiales, a la vez que permite explorar miles de combinaciones de polímeros que, de otro modo, requerirían demasiados recursos para su análisis.
Fordyce comparó este enfoque de miniaturización con la reducción de tamaño de las computadoras, que pasaron de ser máquinas del tamaño de una habitación a mediados del siglo XX a dispositivos portátiles lo suficientemente pequeños como para caber en el bolsillo de un pantalón en la actualidad.
«Intentamos acelerar el ritmo de la selección y el descubrimiento», afirmó Fordyce. «De la misma manera que los circuitos integrados redujeron el espacio necesario para realizar cálculos electrónicos en paralelo, los dispositivos microfluídicos también pueden reducir los volúmenes necesarios».
Desarrollando una solución climática: Las aguas residuales como recurso
Gracias a su experiencia interdisciplinaria, el equipo ahora puede crear y probar una amplia gama de nuevas resinas de forma rápida y económica. Esto les permite diseñar resinas con mayor eficacia para una mejor purificación y recuperación de recursos.
“Convertir los contaminantes de las aguas residuales en productos químicos valiosos puede ayudar a alcanzar objetivos de sostenibilidad, posibilitar economías circulares y mitigar la contaminación, todo a la vez”, afirmó Tarpeh.
Para más información
Tarpeh también es profesor asistente (por cortesía) de ingeniería civil y ambiental, miembro central (por cortesía) del Stanford Woods Institute for the Environment , miembro central del Precourt Institute for Energy y miembro de Stanford Bio-X .
Appel también es profesor asociado (por cortesía) de bioingeniería y pediatría, miembro senior del Stanford Woods Institute for the Environment , miembro del cuerpo docente de Sarafan ChEm-H , miembro de Stanford Bio-X , Cardiovascular Institute , Wu Tsai Human Performance Alliance , Maternal & Child Health Research Institute , Stanford Cancer Institute y Wu Tsai Neurosciences Institute .
Fordyce también es investigador del instituto Sarafan ChEm-H , miembro de Stanford Bio-X , SPARK en Stanford y del Instituto de Neurociencias Wu Tsai .
Este proyecto fue financiado por el programa de subvenciones para proyectos de emprendimiento ambiental del Instituto Woods .
Stanford Report. Traducido al español
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