Polímeros inteligentes ¡Atrapan metales pesados en agua contaminada!

Escrito por Dianela Díaz Bleis y Gonzalo Canché Escamilla

El agua es el recurso básico para garantizar la vida de los seres vivos del planeta. Sin embargo, la contaminación de este recurso debido a las actividades humanas, industriales, agrícolas, entre otras, resulta un problema para el abastecimiento de agua potable. Algunos contaminantes, como los metales pesados, pueden ser tóxicos, carcinógenos, no biodegradables y llegan a acumularse en los organismos vivos. Para resolver este problema, se han desarrollado diversos tipos de tratamientos de aguas contaminadas, cuyo objetivo es la eliminación y/o reducción de contaminantes.

Dentro de ellos está el uso de los llamados «polímeros inteligentes», capaces de responder a un estímulo exterior como la luz, el pH, la corriente eléctrica o la temperatura, cambiando sus propiedades o incluso su forma. Siguiendo esta idea, en el Centro de Investigación Científica de Yucatán (CICY), en México, se estudia el desarrollo de un tipo de polímero inteligente llamado «Nanogeles Magnéticos Inteligentes (NMI)». Estos nanogeles están basados en poli (N-isopropilacrilamida) (PNIPAm) y en partículas magnéticas de hierro (Magnetita: Fe3O4) que pueden hincharse con agua y atrapar en su interior metales pesados, mientras que las partículas magnéticas facilitan su remoción del agua.

 

¿Sabías que al menos una de cada cuatro personas se verá afectada por escasez de agua potable para el 2050?

Se sabe que el agua es uno de los recursos naturales más abundantes y que la demanda de agua potable se incrementa cada año debido al aumento de población. Sin embargo, su disponibilidad es cada vez menor debido a la contaminación de las fuentes naturales, que como ya sabemos, es ocasionada por la actividad humana. El agua es capaz de disolver muchos compuestos, entre ellos los metales pesados que no son biodegradables y muestran alta toxicidad, por lo que surge la necesidad de proponer nuevos tratamientos que permitan la remoción de estos contaminantes en ríos, lagos, lagunas, etc. Existen diversos materiales y/o procedimientos para el tratamiento de agua, como absorbentes, productos precipitantes, sistemas de filtración, entre otros.

Actualmente se estudia el uso de los llamados «polímeros inteligentes», capaces de remover impurezas del agua por su absorción. De esta manera, se eliminan contaminantes peligrosos hasta en un 90 %, como los metales pesados, pero además de otros como los pesticidas, los herbicidas y colorantes textiles.

 

Polímeros inteligentes para tratamientos de aguas contaminadas

Un polímero es una molécula gigante formada por la unión en forma de cadena de muchas moléculas pequeñas llamadas monómeros. Dependiendo del tipo y distribución de estos monómeros en la cadena, tendremos diferentes tipos de polímeros con diferentes propiedades, por ejemplo, si las cadenas de los polímeros están en forma individual, el material será flexible y moldeable, mientras que, si las cadenas están unidas entre sí, el material será menos flexible. Para entenderlo, imaginemos un plato de espagueti donde cada espagueti es una cadena de polímero. Si la pasta está en su punto, podemos fácilmente enrollarlos en el tenedor, pero si los horneamos, los espaguetis se pegan y no podemos enrollarlos ni separarlas con facilidad.

Así, existen polímeros muy resistentes como el Kevlar, utilizado para chalecos antibalas, que está formado por monómeros voluminosos que aportan rigidez. Por otra parte, el polietileno utilizado en bolsas de plástico, está formado por monómeros más pequeños y simples.

Por mucho tiempo, los investigadores han intentado dotar a los polímeros de capacidades específicas, por ejemplo, reaccionar ante estímulos naturales, cambiando sus propiedades o incluso su forma. Cuando se logra este objetivo, se obtienen los polímeros inteligentes que son capaces de interactuar y responder a su entorno. Estos polímeros son considerados los órganos sensoriales de algunas máquinas debido a que les proporcionan la capacidad de ver, detectar y comunicar información de forma inteligente.

 

¿Qué los hace inteligentes y qué tipos de polímeros inteligentes existen?

Si bien es complejo definirlos, lo es aún más intentar clasificarlos, ya que no todos los expertos coinciden. La principal clasificación es de acuerdo con su sensibilidad hacia el estímulo exterior, por ejemplo, si un polímero es sensible a la corriente eléctrica son llamados electrosensibles, los sensibles a la temperatura son termosensibles, los sensibles a la luz son fotosensibles, e incluso existen algunos multi-sensibles, los cuales responden a más de un estímulo.

Un ejemplo de estos polímeros inteligentes son los sensibles al pH, utilizado ampliamente en la actualidad para la liberación controlada de fármacos en el cuerpo humano. Debido a que dentro del cuerpo el pH varía a lo largo del tracto gastrointestinal (Entre pH de 2 en el estómago y pH 10 en el colon), el polímero podría programarse para liberar el medicamento en una zona específica. Otro ejemplo son los llamados quimicrómicos, los cuales cambian de color frente al cambio de pH, comúnmente utilizados como sensores colorimétricos para detectar sustancias contaminantes en superficies.

Dentro de los más conocidos podemos encontrar los llamados fotosensibles, que como su nombre lo indica, exhiben cambios en sus propiedades en respuesta a un estímulo luminoso. Estos materiales son utilizados para gafas de sol (cambian de transparente a oscuros por la luz solar), caretas de soldadura, almacenamiento de datos (discos ópticos tridimensionales), ventanas inteligentes, pigmentos para la industria de los juguetes, cosmética, trajes, control de enfoque para cámaras en teléfonos móviles, entre otros.

Dentro de los polímeros inteligentes, los termosensibles o sensibles a la temperatura, son de vital importancia para tratamientos de aguas residuales. Estos suelen estar hinchados en cierto rango de temperatura, mientras que se contraen tanto al calentarse como al enfriarse. Por esta característica se emplean como dispositivos inteligentes para procesos de separación de contaminantes.

 

¿Cómo son utilizados los polímeros inteligentes en aguas contaminadas?

Algunos elementos metálicos son nutrientes esenciales para las plantas y los animales [como Manganeso (Mn), Cobre (Cu), Zinc (Zn)], pero cuando están presentes a niveles altos debido a desequilibrios naturales o por introducción antropogénica, pueden ser tóxicos para los seres vivos. Uno de los tratamientos para eliminar estos metales son los llamados hidrogeles termosensibles, polímeros comúnmente sensibles a la temperatura, por lo que son capaces de ampliar su volumen debido a su alta expansión en el agua. Además, pueden transformarse en «inteligentes» con la incorporación de otros compuestos, por ejemplo, partículas magnéticas (Hierro), las cuales dirigen al polímero sensible a campos magnéticos externos (imanes), haciendo que el material sea fácilmente manipulable y permitiendo mover el polímero a una zona particular. De esta forma, el polímero tiene una alta capacidad de remoción de contaminantes, colorantes, e incluso metales en aguas residuales.

Estos hidrogeles inteligentes han sido utilizados para eliminar iones plomo, cadmio y cobre de forma selectiva a partir de soluciones acuosas. En la siguiente figura se presenta un caso de eliminación de cobre (Cu2+) mediante un hidrogel magnético.

 

Lo que hacemos con estos polímeros inteligentes en CICY

En el Centro de Investigación Científica de Yucatán (CICY), se han desarrollado estudios para el desarrollo de Nanogeles Magnéticos Inteligentes (NMI), basado en poli (N-isopropilacrilamida) (PNIPAm) y en partículas magnéticas de hierro (magnetita: Fe3O4), con el propósito de evaluar su capacidad para eliminar el Zinc (Zn+ 2) de una solución acuosa.

El PNIPAm, es un polímero sensible a la temperatura que cuando se calienta en agua por arriba de 32 °C, se contrae de un estado hidratado hinchado a un estado deshidratado encogido, comportándose como una bomba hidrostática que le permite tanto absorber como expulsar agua. En tanto, las partículas magnéticas utilizadas (magnetita) permiten que, al aplicar un campo magnético, el polímero se pueda remover de los efluentes.

Hasta ahora, se ha observado que las partículas magnéticas se distribuyen de manera homogénea dentro del polímero de PNIPAm, haciéndolo estable y accesible al campo magnético. En cuanto a la efectividad para absorción de zinc, el polímero tuvo una respuesta exitosa, indicando que puede ser considerado como «material inteligente» para la eliminación de zinc en efluentes acuosos.

Sin embargo, debemos hacer estudios más amplios de las propiedades magnéticas de estos materiales y los efectos de temperatura sobre ellos con la finalidad de descubrir qué otras propiedades y funciones pueden desarrollar. Los polímeros son tan versátiles que nunca se sabe qué nuevo material podría descubrirse.

 

Para Saber Más: 

Cano-Serrano, E. y Urbina-Fraile, M. (2009). Polímeros Inteligentes y Aplicaciones. Informe de vigilancia tecnológica. Madrid, Círculo de Innovación en Materiales, Tecnología Aeroespacial y Nanotecnología Parque Científico de la Universidad Carlos III de Madrid, https://e-archivo.uc3m.es/bitstream/handle/10016/6462/VT_Polimeros%20Inteligentes%20y%20Aplicaciones.pdf?sequence=1&isAllowed=y

Dutta, K. y De, S. (2017). Smart responsive materials for water purification: an overview. Journal of Materials Chemistry A, 5(42), 22095-22112. https://dialnet.unirioja.es/servlet/articulo?codigo=5432290

Rubio, D. I. C., Calderón, R. A. M., Gualtero, A. P., Acosta, D. R. y Sandoval, J. (2015). Tratamientos para la remoción de metales pesados comúnmente presentes en aguas residuales industriales. Una revisión. Ingeniería y Región, (13), 73-90. https://dialnet.unirioja.es/servlet/articulo?codigo=5432290

 

Dianela Díaz Bleis. Centro de Investigación Científica de Yucatán (CICY). Estudiante de Posdoctorado, Doctorado en Ciencias (Materiales Poliméricos).

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Gonzalo Canché Escamilla. Centro de Investigación Científica de Yucatán (CICY).

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