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De acuerdo con la Organización de las Naciones Unidas para la Alimentación y la Agricultura (FAO, por sus siglas en inglés), a nivel mundial, alrededor de 19 por ciento del agua extraída se emplea en la industria.

En México, en 2016 se trataron 123.6 m³/s (metros cúbicos por segundo) de aguas residuales en dos mil 536 plantas municipales en todo el país, es decir, 58.3 por ciento de los 212.0 m³/s recolectados a través de los sistemas de alcantarillado, según datos de la Comisión Nacional del Agua (Conagua).

En el Departamento de Química Orgánica de la Facultad de Ciencias Químicas (FCQ) de la Universidad Autónoma de Coahuila (Uadec), los científicos estudian alternativas para combatir problemas de contaminación como las aguas residuales, mediante la eliminación o minimización de residuos y el uso de fuentes renovables para la generación de productos que afronten este tipo de problemas medioambientales.

En un escenario donde se estima que la demanda global de agua para la industria manufacturera se incrementará 400 por ciento de 2000 a 2050, centrada en economías emergentes, según la Organización de las Naciones Unidas para la Educación, la Ciencia y la Cultura (Unesco, por sus siglas en inglés), el tratamiento de aguas residuales se convertirá en una prioridad para la sociedad y el sector industrial.

En entrevista para la Agencia Informativa Conacyt, científicos de la FCQ, a través de la línea de investigación de química verde en síntesis orgánica, explican el proyecto de nanocristales de celulosa, su importancia e impacto que desean generar para contribuir, con esta alternativa, al tratamiento de aguas residuales de la industria textil de Coahuila.

Nanocristales de celulosa

El proyecto tiene como objetivo ofrecer una alternativa sustentable para realizar el tratamiento de aguas residuales contaminadas con colorantes de una empresa de la industria textil del estado, utilizando nanocristales de celulosa.

“La celulosa es el polímero natural más abundante sobre la Tierra y siempre lo hemos utilizado desde el inicio de la historia del hombre, puesto que es el principal componente de la madera. Dependiendo de la fuente, de qué especie vegetal estamos hablando, es el contenido de celulosa, normalmente varía entre 40 y 50 por ciento de celulosa en la madera”, explicó la doctora Catalina María Pérez Berumen, profesora investigadora del Departamento de Química Orgánica de la Facultad de Ciencias Químicas de la Uadec.

La científica agregó que para fabricar el papel se quita la lignina y hemicelulosa a la madera, para dejar únicamente la celulosa. Este polímero natural está compuesto por azúcares y estructurado en dos diferentes fases: la fase cristalina y una “parte desordenada” que es la fase amorfa.

“Todas las fases de la celulosa pueden ser utilizadas de diferentes maneras, en este caso nos enfocamos en el estudio de los nanocristales de celulosa. Se llaman nanocristales puesto que es la fracción o la fase con mayor ordenamiento en la estructura de este polímero y tienen ciertas características que son muy interesantes. En primer lugar, forman estructuras de tamaño nanométrico, menores a 100 nanómetros, en forma de aguja y presentan ciertas características que las hacen completamente distintas a cualquier otro material”, detalló Pérez Berumen.

Una de las características más importantes de los nanocristales es que, en dispersión acuosa, presentan un comportamiento de cristal líquido y eso les confiere múltiples aplicaciones en el área de optoelectrónica. Es por ello, dijo, que existe el interés de estudiar este tipo de materiales y sus fuentes distintas de origen vegetal, con la finalidad de buscar alternativas sustentables para obtener celulosa, y ante la escasez de fuentes en la región, los investigadores contemplaron utilizar papel de desecho de oficina.

“El proyecto consta de hacer uso de un residuo que, en este caso, es el papel usado de oficina, y de ahí poder obtener nanocristales de celulosa y poderlos funcionalizar o modificar para utilizarlos para la remoción de un colorante textil y la obtención de un nanomaterial compuesto con ácido poliaspártico”, indicó Karen Cecilia de la Cruz García, egresada de la Facultad de Ciencias Químicas de la Uadec y colaboradora del proyecto.

Las investigadoras añadieron que para poder remover el colorante de las aguas residuales se crearon soluciones sintéticas de azul de metileno y, posteriormente, se empleó el nanomaterial para el tratamiento de los residuos de las aguas industriales.

Alternativa con potencial

En la región sureste de Coahuila existen empresas de los diferentes sectores industriales como automotriz, farmacéutico, fundición, textil, alimentario, entre otros. Todas estas compañías generan grandes cantidades de aguas residuales que requieren tratamiento, principalmente en zonas semidesérticas como el norte de México, donde el agua es escasa y es recomendable utilizar materiales de desecho como el papel de oficina.

“El papel lo reusamos dándole el tratamiento adecuado para poder obtener pastas de celulosa. Una vez obtenidas las pastas, son sometidas a hidrólisis ácida para así obtener los nanocristales de celulosa. Después se realiza la modificación de los nanocristales, oxidación de grupos hidroxilo primarios”, puntualizó De la Cruz García.

Posteriormente, los nanocristales oxidados y cloruro de calcio (CaCl₂) se centrifugan con las aguas residuales para formar un precipitado, una sustancia gelatinosa, en el cual se queda adsorbido el colorante contaminante.

Doctora Catalina María Pérez Berumen y Química Karen Cecilia De la Cruz García.“En el proyecto estudiamos dos variables: una fue tiempo de centrifugado y la otra fue la concentración de los nanocristales y el cloruro de calcio. Se estudiaron las dos variables para saber en cuál se obtenía mayor porcentaje de remoción. Observamos que al centrifugar durante más tiempo, el máximo fue una hora, se lograba remover hasta 40 por ciento de colorante de las aguas residuales. En el caso de la concentración de nanocristales y CaCl₂, hubo remoción cerca de 15 por ciento”, aclaró la investigadora.

Respecto a la posibilidad de combinar el uso de nanocristales para tratamiento de aguas junto a otras metodologías de remoción y aumentar los porcentajes de absorción en aguas contaminadas, De la Cruz García comentó: “Quizás podría combinarse con otras metodologías de remoción; sin embargo, no sabemos aún qué tanto mejoraría la efectividad de la remoción (…) No sabemos si con ayuda de otro tipo de técnicas pueda realizarse la mejora de la remoción, habría que probar la implementación de otras técnicas para poder ver si se optimiza el proceso o no”.

Las investigadoras agregaron que la metodología de oxidación de nanocristales para su funcionalización es una opción que demanda gran cantidad de tiempo para obtener el producto.

“De antemano, buscaríamos otra metodología para poder realizar esta funcionalización y, aparte, comparar la metodología de remoción de colorante frente a otras. No solo el porcentaje de remoción, sino también el desecho que genera y de qué manera se va a tratar el desecho”, señaló Pérez Berumen.

La doctora añadió que dependiendo de las funcionalidades injertadas en la estructura de los nanocristales, puede ampliarse su uso para eliminar la contaminación de afluentes industriales y no limitarse al sector textil.

“Nuestra contribución al conocimiento es que estamos utilizando una fuente de celulosa completamente distinta a otras, estamos dando mayor valor agregado a los residuos para hacer el material y luego para tratar otros residuos, es decir, un reúso, minimización o eliminación del residuo”, subrayó Pérez Berumen.

Las científicas reiteraron la necesidad de explorar alternativas metodológicas que demanden menor tiempo para generar resultados, eficiencia y el escalamiento de procesos para continuar la optimización en la aplicación de nanocristales de celulosa.

“Siempre buscamos la eliminación o minimización de residuos, en este caso, en lugar de utilizar fuentes naturales renovables, que son escasas en la región, estamos utilizando residuos, generar un producto de mayor valor agregado para tratar problemas de contaminación. Tenemos muchas cosas por hacer, hay muchos aspectos como el escalamiento de estos procesos, nuevas funcionalizaciones, entre otras propiedades en relación con nanocristales”, enfatizó Pérez Berumen.

Fuente: Conacyt