Doctor Azael Martínez de la Cruz
Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica Universidad Autónoma de Nuevo León
El siglo XX fue testigo de un desarrollo industrial sin precedentes en la historia de la humanidad, acompañado por invenciones científicas y desarrollos tecnológicos que vinieron a cambiar nuestra percepción de la economía, la política y la sociedad en general. El notable desarrollo de la ciencia y la tecnología ha ido constantemente en la dirección de la búsqueda del bienestar de la humanidad, que si bien no se ha conseguido, ha contribuido a incrementar la esperanza de vida de la población y a reducir la mortandad infantil.
Para soportar las crecientes demandas de la sociedad, derivadas de la explosión demográfica, es importante redoblar esfuerzos en la consecución de recursos esenciales, como alimentación, agua, energía; así como en la satisfacción de necesidades básicas, como la atención médica. Tómese en cuenta que la población mundial, de mil 613 millones de personas en 1900, pasó a tres mil 697 millones en 1970; a cerca de seis mil 500 millones en 2005, y se estima una población mundial de nueve mil 76 millones para el año 2050. Adicionalmente, la explosión demográfica trae consigo un mayor deterioro del medio ambiente, derivado de las actividades naturales de la población.
CIENCIA Y DESARROLLO TECNOLÓGICO
En este sentido, la comunidad científica tiene un importante compromiso con la sociedad en la búsqueda de soluciones que consigan elevar la calidad de vida de los seres humanos. Puesto que las respuestas que buscamos se encuentran en el ámbito de la ciencia y el desarrollo tecnológico, estas áreas del conocimiento constituyen campos fértiles para la inversión de recursos económicos, tiempo y esfuerzo por parte de investigadores, instituciones de investigación científica y gobiernos en general.
Por lo anterior, esfuerzos realizados por la Universidad Autónoma de Nuevo León, en coordinación con el Instituto Max Planck, de Alemania, y el Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología (CONACYT) para traer a nuestra ciudad la exposición llamada el “Túnel de la Ciencia” durante los meses de septiembre-octubre, son sumamente loables.
La exposición consta de 12 pabellones donde se muestran de manera interactiva los avances de la ciencia en campos del conocimiento relacionados con el origen del universo, la formación del sistema solar, la exploración del nanocosmos, el estudio del genoma humano, el desarrollo de nanomateriales funcionales, la sustentabilidad, el aprovechamiento de los recursos naturales, entre otros. La exposición “Túnel de la Ciencia” crea una excelente atmósfera para acercar a la sociedad al conocimiento de punta y captar la atención de nuevas generaciones en la búsqueda de futuros científicos mexicanos.
PURIFICACIÓN DE AGUAS RESIDUALES
La Universidad Autónoma de Nuevo León, asumiendo una de sus tareas sustantivas, como lo es la investigación, ha destinado importantes esfuerzos y recursos para crear entre sus investigadores los espacios y condiciones para el desarrollo de sus tareas en los distintos campos del conocimiento en que se desempeñan. En el presente escrito, abordaremos en particular unos de los temas objeto de estudio de algunos investigadores de la UANL y que tiene una enorme repercusión en nuestra vida cotidiana, como lo es la purificación de aguas residuales por medios sustentables.
Entre los múltiples retos que como sociedad enfrentamos actualmente -lo que seguiremos haciendo a lo largo de este siglo XXI-, uno de los más relevantes es sin lugar a dudas el suministro de agua potable a la población. La actividad industrial demanda grandes cantidades de agua y frecuentemente la desecha, acompañada de sustancias tóxicas que afectan a la flora y la fauna acuáticas, dificultan su uso para actividades de riego y la alejan de una calidad cercana a la potabilidad. Lo anterior exige la destinación de importantes recursos económicos y energéticos para la descontaminación y tratamiento de aguas residuales, descuidando así el apoyo a otras necesidades básicas de la población.
La mayor dificultad en el tratamiento de aguas residuales estriba en la ineficiencia de los procesos físicos empleados, tales como la coagulación y absorción, dado que sólo transfieren los contaminantes del agua residual a otro medio, provocando una polución secundaria. Estos mecanismos, además de resultar imprácticos, requieren etapas adicionales para la recuperación de los residuos y una posterior calcinación de los mismos con un consecuente aumento en los costos del proceso.
Hasta hace poco, bastaba que el proceso de purificación de agua fuera viable técnicamente, aplicable a gran escala, y en gran medida económico. Sin embargo, en tiempos modernos debemos incorporar la sustentabilidad del proceso a cualquier propuesta que pretenda atacar esta problemática. Bajo esta perspectiva, la fotocatálisis heterogénea cumple con todos estos requisitos para ser considerada como una herramienta tecnológica de vanguardia en la solución del problema de la purificación de aguas residuales. La sustentabilidad de la fotocatálisis heterogénea se basa en el empleo de óxidos semiconductores cerámicos (no tóxicos) y energía solar (energía gratuita). Para este propósito se han explorando principalmente óxidos de metales de transición, dada su capacidad para absorber energía de longitud de onda superior a los 400 nm.
FOTOCATÁLISIS HETEROGÉNEA
En los últimos años, la fotocatálisis heterogénea se ha posicionado como una de las tecnologías prometedoras más eficientes y limpias para la remoción de contaminantes orgánicos en aguas residuales. Una vez madurado el concepto de la fotocatálisis heterogénea durante los últimos 30 años, y comprendido el mecanismo mediante el cual ocurren las reacciones por acción de la radiación electromagnética, en años recientes se ha empezado a enfocar el problema utilizando luz visible, dada la inminente aplicación práctica que tiene el uso de este tipo de radiación.
Diversos elementos deben considerarse en el proceso de una reacción activada por radiación electromagnética. En primera instancia, el fotocatalizador, el cual comúnmente es un óxido o sulfuro semiconductor que absorbe la radiación electromagnética para promover electrones de su banda de valencia a su banda de conducción. En el proceso se generan pares hueco-electrón que son fácilmente recombinados para restablecer al semiconductor a su estado inicial. Sin embargo, aunque poco eficiente, el proceso de separación de cargas puede progresar migrando éstas hacia la superficie del fotocatalizador creando así sitios activos donde, por ejemplo, una molécula orgánica puede experimentar procesos de oxidación.
La energía necesaria para promover la creación de pares hueco-electrón depende de la naturaleza del semiconductor y en particular de la diferencia de energía entre sus respectivas bandas de conducción y valencia. A esta diferencia de energía, expresada comúnmente en eV, se le denomina banda de energía prohibida o gap de energía (Eg) de un semiconductor. Para un material semiconductor con Eg > 3.0 eV, su activación será a través de luz ultravioleta, mientras que materiales con Eg < 3.0 eV serán activados con luz visible.
El material por excelencia utilizado como semiconductor es el TiO; no obstante, presenta el gran inconveniente de tener un Eg de 3.2 eV, situación que limita su aplicación al no ser activado por medio del espectro solar visible. Diversos esfuerzos han sido realizados para la activación de TiO por acción de la luz visible, entre los que podemos mencionar el dopaje y la sensitización por colorantes orgánicos.
En este aspecto, la Ciencia de Materiales puede contribuir notablemente mediante la propuesta de óxidos semiconductores alternos al tradicional TiO2, que presenten estructuras cristalinas y electrónicas que les permitan absorber una porción importante del espectro solar. Empleando diferentes rutas de síntesis química; como por ejemplo la coprecipitación, el sol-gel y el empleo de condiciones hidrotermales, es posible conseguir óxidos con tamaños de partícula a escala nanométrica, elevando así considerablemente su área superficial y minimizando la distancia a recorrer del par hueco-electrón del interior de la partícula a su superficie.
Un segundo elemento que se debe considerar en una reacción fotocatalizada es la radiación incidente. El espectro solar se compone sólo de un 4 por ciento de radiación ultravioleta, que si bien es portadora de grandes cantidades de energía, no es suficiente para activar la mayoría de los materiales semiconductores estudiados. Así, desde un punto de vista de aplicación, es necesario trabajar con materiales con Eg < 3.0 eV, con el fin de aprovechar los beneficios de la radiación con la que el Sol baña la Tierra día a día.
FOTOCATALIZADORES ACTIVOS
Dado el enorme potencial que tiene México con respecto a la radiación solar que recibe su superficie, estimada en 5 kWh/m2/día, el uso de dispositivos tecnológicos que utilicen fotocatalizadores activos en el intervalo visible de la radiación solar es una posibilidad de gran relevancia y pertinencia dentro del contexto de nuestro país.
El tercer elemento por considerar como participante en la reacción de descomposición fotocatalítica es la sustancia que experimentará el proceso de degradación. A través de la tecnología de la fotocatálisis heterogénea, existen reportes de degradación de sustancias como fenoles, halocarburos, surfactantes, pesticidas, colorantes, entre otros. La fotocatálisis heterogénea permite la reducción de contaminantes en aguas residuales hasta la total mineralización de los compuestos en CO2 y H2O o bien hasta valores mínimos donde otros métodos fallan.
INDUSTRIA TEXTIL
La fotocatálisis heterogénea es una herramienta promisoria en la solución de problemas relacionados con el medio ambiente y la energía. A manera de ejemplo, podemos mencionar la contaminación proveniente de una gran cantidad de industrias que en sus procesos de producción requieren la coloración de sus productos. De entre éstas, la industria textil y del vestido contribuye de manera significativa. Estas industrias se han visto beneficiadas por los acuerdos arancelarios firmados por México y han convertido a nuestro país en el cuarto exportador mundial de prendas de vestir y en el primer abastecedor de los Estados Unidos de Norteamérica, todo lo cual representa una derrama económica para el país de cerca de tres mil millones de dólares.
Dentro de esta industria, podemos mencionar, a manera de ejemplo, a la de la mezclilla, la cual sobresale con una producción de 270 millones de metros lineales al año. Dentro del proceso de fabricación del producto, el teñido ocupa un lugar preponderante en cuanto a la naturaleza de los efluentes vertidos. La liberación de efluentes coloreados de esta industria representa un problema ambiental y de preocupación para la salud pública. Las descargas de efluentes coloreados al medio ambiente es indeseable, no sólo debido a su color, sino también porque algunos colorantes de estas aguas residuales y sus subproductos son tóxicos o mutagénicos para la vida.
Sin tratamientos adecuados, estos tintes se estabilizan y pueden permanecer en el ambiente durante mucho tiempo; por ejemplo, la vida media del reactivo hidrolizado blue 19, utilizado en la industria de la mezclilla, es cercana a los 46 años. En adición al problema ambiental, la industria textil consume una enorme cantidad de agua potable. Si tomamos en cuenta el volumen de descarga y la composición del efluente, encontraremos que dicha industria se encuentra actualmente entre las actividades más contaminantes de todo el sector industrial.
TECNOLOGÍA SUSTENTABLE
A diferencia de la mayoría de los procesos tradicionales, la fotocatálisis heterogénea no es selectiva, y puede emplearse para tratar mezclas complejas de contaminantes. Por otro lado, la posibilidad de utilizar la radiación solar como fuente primaria de energía le otorga un importante y significativo valor ambiental, lo que es un claro ejemplo de tecnología sustentable. Es por ello que actualmente es necesario encontrar materiales capaces de lograr resultados similares al TiO2 (anatasa) pero bajo irradiación de luz visible.
La posibilidad de proponer materiales con la capacidad de activarse en el intervalo del espectro visible, representa una importante expectativa, dada la inagotable energía que percibimos del sol. Lo anterior implica el desarrollo de sistemas fotocatalíticos sustentables y de bajo costo de operación.
Desde el punto de vista tecnológico, la fotocatálisis heterogénea se encuentra actualmente en una fase temprana de investigación y desarrollo tecnológico. No obstante, existen dispositivos comerciales que, operando bajo este principio, son utilizados para la purificación de aire, principalmente en la eliminación de óxidos de nitrógeno (NOx) y de compuestos orgánicos volátiles (VOC´s). Asimismo, el desarrollo comercial de superficies autolimpiantes como ventanas y piezas cerámicas, así como cubiertas de focos de alumbrado que operan por la presencia de un fotocatalizador, son una realidad.
Aunque se han reportado notables avances en el empleo de la fotocatálisis heterogénea para la remoción de contaminantes en medio acuoso, el camino por recorrer para su aplicación en grado masivo de volumen y empleo de radiación solar, aún es largo. Queda en nosotros los investigadores la responsabilidad de reducir esta brecha mediante el aporte de nuevos materiales fotocatalíticos y el desarrollo tecnológico de sistemas eficientes para la purificación de agua por acción de la radiación solar.
