Campos magnéticos en torno a nanopartículas de níquel
Flickr/Brookhaven National Laboratory
La nanotecnología puede llevar agua potable a millones de personas. David J. Grimshaw destaca su potencial, avances y algunos de sus riesgos
Históricamente, la tecnología ha sido importante para el abastecimiento de agua potable y el riego de los cultivos para el consumo humano. De hecho, las personas han contado con tecnologías para el agua durante miles de años: los romanos ya usaban acueductos para transportar el agua potable alrededor del año 300 AC. Sin embargo, hacer que la tecnología moderna sea accesible y al alcance del bolsillo de los pobres del mundo es una tarea ingente. ¿Es posible que la nanotecnología funcione mejor que las tecnologías anteriores?
El agua es un recurso escaso y, para muchos países, en especial en Medio Oriente, la oferta ya no alcanza para satisfacer la demanda. Sometida a las presiones del cambio climático y del crecimiento demográfico, el agua se convertirá en un recurso aún más escaso, sobre todo en las regiones en desarrollo, donde incluso el agua disponible suele no ser apta para el consumo (véase Tabla 1).
884 millones | Personas que carecen de acceso a fuentes de abastecimiento de agua potable (alrededor de una de cada ocho) |
6 kilómetros | Distancia promedio que recorren a pie las mujeres africanas y asiáticas en busca de agua |
3,6 millones | Personas que mueren al año a causa de enfermedades relacionadas con el agua |
98 por ciento | Muertes relacionadas con el agua que suceden en el mundo en desarrollo |
84 por ciento | Muertes en niños de 0 a 14 años relacionadas con el agua |
43 por ciento | Muertes relacionadas con el agua causadas por la diarrea |
65 millones | Personas en riesgo de intoxicación por arsénico en la región de Bangladesh, India y Nepal |
Tabla 1: Cifras clave sobre el agua [1]
La lucha por asegurar que toda la población tenga acceso al agua potable ha sido consagrada en los Objetivos de Desarrollo del Milenio de la ONU, al proponer que en 2015 se reduzca a la mitad la cantidad de personas carentes de acceso sostenible al agua potable. Según el Programa Mundial de Evaluación de los Recursos Hídricos, lograrlo significaría mejorar el abastecimiento de agua de 1.500 millones de personas. [2]
¿Pero cómo conseguirlo? La economía y la tecnología a menudo han aportado enfoques para proveer de agua a comunidades pobres. La solución económica pondría énfasis en la importancia de la reglamentación, las instituciones y la apertura de los mercados. Por su parte, el enfoque tecnológico se centraría en el diseño de bombas de agua, sistemas de filtración o aplicaciones novedosas, por ejemplo, de tipo nanotecnológico.
El potencial de la nanotecnología
A diferencia de otras tecnologías, que han nacido directamente de una disciplina científica concreta, la nanotecnología abarca un amplio abanico de áreas de estudio. En esencia, se define por la escala en la que opera: la nanociencia y la nanotecnología suponen estudiar y trabajar con materia a escala ultra pequeña. Un nanómetro es la millonésima parte de un milímetro y un solo cabello humano tiene unos 80.000 nanómetros de ancho. [3] Es difícil hacerse una imagen visual del tamaño, pero para tener una idea, si la distancia que hay entre el Sol y la Tierra fuera de un metro, un nanómetro sería lo que ocuparía una cancha de fútbol.
La escala nanométrica tiene que ver con las partes más diminutas de la materia que se pueden manipular. Operar a esa escala facilita el ensamblaje de átomos y moléculas según especificaciones exactas. Podríamos imaginar que la creación de nuevos materiales o la modificación de los existentes se parecen un poco al armado de estructuras con los bloques Lego. En aplicaciones como la filtración de aguas, esto significa que los materiales se pueden hacer a la medida o ajustar para que sean capaces de filtrar metales pesados y toxinas biológicas.
Los materiales trabajados a escala nanométrica suelen tener propiedades ópticas o eléctricas distintas a los mismos materiales manipulados a escala micro o macro. Por ejemplo, el nano óxido de titanio es un catalizador más eficaz que el óxido de titanio fabricado a escala micro, y puede ser utilizado en el tratamiento de aguas para degradar contaminantes orgánicos. Sin embargo, en otros casos, el reducido tamaño de las nanopartículas hace que el material sea más tóxico de lo normal.
Nanotechnology can solve the technical challenge of removing salt from water
UCLA Engineering
Las nanotecnologías podrían paliar los problemas del agua si resuelven los retos técnicos que presenta la remoción de contaminantes como bacterias, virus, arsénico, mercurio, pesticidas y sal.
Muchos investigadores e ingenieros sostienen que las nanotecnologías ofrecen alternativas más económicas, eficaces, eficientes y duraderas, en particular porque el uso de nanopartículas para el tratamiento de aguas permitirá que los procesos de fabricación contaminen menos en comparación con los métodos tradicionales y porque se necesita menos mano de obra, capital, tierra y energía. [4]
Lo mismo se decía de las nuevas tecnologías en el pasado. Pero si fuéramos capaces de desarrollar nuevos modelos de negocio que nos permitieran emplear las nanotecnologías de forma sostenible para resolver problemas reales, identificados en conjunto con las comunidades locales, tendríamos razones para ser optimistas. [5]
¿En qué va la historia?
Una serie de dispositivos para el tratamiento de aguas que incorporan adelantos nanotecnológicos ya se encuentran en el mercado; otros están próximos a su lanzamiento o en proceso de desarrollo.
Las membranas de nanofiltración ya son de uso habitual para la eliminación de sales disueltas y microcontaminantes, el ablandamiento del agua y la depuración de aguas residuales. Las membranas actúan como una barrera física, capturando partículas y microorganismos más grandes que sus poros, y rechazando sustancias de manera selectiva. Se espera que la nanotecnología siga mejorando esta tecnología con membranas y permita reducir los prohibitivos costos que tienen los procesos de desalinización (obtener agua dulce a partir del agua salada).
Los investigadores desarrollan nuevos tipos de materiales nanoporosos, más eficaces que los filtros convencionales. Por ejemplo, un estudio realizado en Sudáfrica demostró que las membranas de nanofiltración pueden generar agua potable a partir de agua subterránea salobre. [6] Y un equipo de científicos de India y EE. UU. desarrolló filtros hechos con nanotubos de carbono que tienen el poder de eliminar bacterias y virus con más eficacia que las membranas de filtración convencionales. [7]
Las arcillas de attapulguita y las zeolitas naturales también se utilizan en los nanofiltros. Se hallan en numerosos lugares del mundo y cuentan con poros de proporciones nanométricas naturales. Un estudio del uso de las membranas de arcilla de attapulguita para filtrar aguas residuales procedentes de una central lechera en Argelia demostró que son capaces de reducir el suero y otros materiales orgánicos presentes en las aguas residuales de manera eficaz y económica, volviéndola apta para consumo. [8]
Las zeolitas también se fabrican, y se pueden usar para separar sustancias orgánicas perjudiciales del agua y eliminar iones de metales pesados. Investigadores de la Organización de Investigación Científica e Industrial de la Commonwealth, en Australia, han creado una arcilla sintética de bajo costo, llamada hidrotalcita, que atrae el arsénico y lo elimina del agua. [9] Han ideado un novedoso empaque para el producto, destinado a comunidades de bajos ingresos: una 'bolsita de té' que se puede sumergir en los dispositivos de agua domésticos durante unos 15 minutos, antes de beber el líquido. Y la compra de las bolsitas usadas por parte de las autoridades podría incentivar el reciclado y contribuir a la eliminación del arsénico concentrado.
Catalizadores, imanes y detectores nano
Los nanocatalizadores y las nanopartículas magnéticas son otros ejemplos de cómo la nanotecnología podría transformar el agua muy contaminada en agua apta para consumo, saneamiento y riego. Los nanocatalizadores deben sus mejores propiedades catalíticas a su diminuto tamaño o al hecho de ser modificados a escala nanométrica. Pueden degradar los contaminantes químicamente, incluso aquellos que no se pueden tratar con las tecnologías actuales o cuyo tratamiento sería demasiado costoso, sin tener que desplazarlos de un lugar a otro. Investigadores del Instituto Indio de Ciencias de Bangalore han utilizado el nano dióxido de titanio precisamente para este fin (véase 'Tratamiento nano del agua exige ingeniería innovadora').
Las nanopartículas magnéticas ocupan grandes superficies en proporción a su volumen y se unen con facilidad a sustancias químicas. En las aplicaciones destinadas al tratamiento de aguas, pueden utilizarse para unirse a contaminantes como el arsénico o el petróleo y luego ser eliminadas mediante un imán. Varias empresas comercializan este tipo de tecnologías y los científicos publican a menudo nuevos descubrimientos en el área.
Nanorust and arsenic
CBEN/Rice University
Por ejemplo, científicos de la Universidad de Rice, de Estados Unidos, emplean "nano óxido" para eliminar el arsénico del agua potable. [10] La amplia superficie del nano óxido permite capturar cien veces más arsénico que si se emplea óxido manipulado a una escala mayor. El equipo prevé que una dosis de entre 200 y 500 miligramos de nano óxido alcanza para tratar un litro de agua. Desarrolla actualmente una manera de crear nano óxido a partir de artículos baratos de las casas, con lo que reducirían de forma considerable los costos de producción, convirtiéndolo en producto viable para distintas comunidades del mundo en desarrollo.
Además de servir para tratar el agua, la nanotecnología es capaz de detectar contaminantes transportados por ella. Los investigadores desarrollan nuevas tecnologías de sensores que combinan la micro y la nanofabricación para la creación de sensores pequeños, portátiles y ultraprecisos, que pueden detectar en el agua células individuales de determinadas sustancias químicas y bioquímicas. [11] Varios consorcios de investigación están realizando ensayos de campo con estos dispositivos y algunos esperan comercializarlos pronto. Por ejemplo, un equipo de la Universidad del Estado de Pensilvania, en los Estados Unidos, ha desarrollado una forma de detectar arsénico en el agua a través de nanoalambres colocados en un chip de silicio. [12]
La investigación nano en el mundo en desarrollo
La inversión en nanotecnología en regiones desarrolladas como Europa y Estados Unidos es muy alta dado que los gobiernos siguen dando prioridad a las tecnologías que, desde su punto de vista, apuntalarán el crecimiento económico. Y algunos países que se encuentran en una situación intermedia, como China, también realizan grandes inversiones en el área (ver Gráfica 1).
![Gráfica 1: Inversión en investigación nanotecnológica [13,14]](http://c96267.r67.cf3.rackcdn.com/Figure-1-Research-spending-on-nanotechnology-ES.gif "Gráfica 1: Inversión en investigación nanotecnológica [13,14]")
Gráfica 1: Inversión en investigación nanotecnológica [13,14]
Sudáfrica ha desarrollado capacidades nanotecnológicas importantes gracias a la Estrategia Nacional de Nanotecnología, que lanzó en 2006. [15] Por ejemplo, ha creado centros de innovación para la nanociencia en dos de los consejos científicos del país. Uno de ellos trabaja en el uso de la nanotecnología para tratar el agua. En este caso, el principal interés es resolver problemas locales. La Universidad de Stellenbosch, por ejemplo, estudia las nanomembranas para la filtración de agua.
India también ha invertido mucho en nanotecnología, aunque las cifras son difíciles de comprobar, en parte porque la inversión a menudo proviene de alianzas entre el gobierno y el sector privado.
Otros países en desarrollo perciben cada vez con mayor claridad la necesidad de apoyar la nanociencia, incluida la investigación sobre cómo puede ayudar la nanotecnología a llevar agua limpia a la población. Brasil, Cuba, Arabia Saudita y Sri Lanka, tienen todos centros nanotecnológicos que trabajan en el tema. Y el número de solicitudes de patentes para invenciones en nanotecnología presentadas por investigadores de países en desarrollo aumenta rapidamente.
Desarrollos para el mundo en desarrollo
Algunos productos interesantes están surgiendo en los países en desarrollo, y otros, diseñados en diferentes lugares, son de gran relevancia para las necesidades del Sur (ver Tabla 2).
Producto | Cómo funciona | Relevancia | Responsable |
Nanoesponjas para la captación de agua de lluvia | Combinan polímeros y nanopartículas de vidrio que se pueden estampar en superficies como las telas para absorber agua | La captación del agua lluvia es cada vez más importante en países como China, Nepal y Tailandia. La nanoesponja es mucho más eficiente que las tradicionales redes de recolección de agua de niebla | Instituto Tecnológico de Massachusetts, (EE. UU.) |
Nano óxido para la remoción de arsénico | Las nanopartículas magnéticas de óxido de hierro suspendidas en agua se unen al arsénico, que luego se quita con un imán | En India, Bangladesh y otros países en desarrollo se producen miles de casos de intoxicación por arsénico al año, asociados a pozos envenenados. | |
Membranas desalinizadoras | Combinación de polímeros y nanopartículas que atrae iones de agua y repele sales disueltas | Ya disponible en el mercado, la membrana permite desalinizar con menores costos energéticos que la ósmosis inversa | Universidad de California, Los Ángeles y NanoH2O |
Membranas de nanofiltración | Membrana hecha de polímeros con poros de entre 0,1 y 10nm | Superó ensayos de campo para tratar agua potable en China y desalinizarla en Irán. Requiere menos energía que la ósmosis inversa | Saehan Industries (Corea) |
Tubo con nanomalla | Dispositivo de filtración semejante a una pajita, hecha con nanotubos de carbono colocados sobre un material poroso y flexible | La pajita – o pitillo- limpia el agua a medida que se bebe. Médicos de África usan un prototipo y el producto final estará disponible a precio módico en países en desarrollo. | |
Filtro mundial | Filtro que usa una lámina de nanofribra hecha a base de polímeros, resinas, cerámica y otros materiales, capaz de eliminar contaminantes | Diseñado especialmente para uso doméstico o comunitario en países en desarrollo. Es eficaz, fácil de usar y no requiere mantenimiento | KX Industries (EE.UU.) |
Filtro de pesticidas | Filtro que emplea nanoplata para la adsorción y degradación de tres pesticidas comúnmente hallados en fuentes de abastecimiento de agua de la India | Es frecuente encontrar pesticidas en las fuentes de agua de países en desarrollo. El filtro podría proveer 6.000 litros de agua limpia al año a un hogar tipo de la India | Instituto Indio de Technología de Chennai y Eureka Forbes Limited (ambos en India) |
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Tabla 2: Productos nanotecnológicos relevantes para países en desarrollo que buscan mejorar el abastecimiento de agua [10, 16–19]
Riesgos y oportunidades
Todo intento de evaluar potenciales mercados para la nanotecnología aplicada al tratamiento del agua debe contemplar tanto los riesgos como las oportunidades.
Algunos investigadores plantean que los estudios centrados en las implicaciones éticas, jurídicas y sociales de la nanotecnología registran un gran retraso. [20] Señalan las pocas veces que se citan estos temas en la literatura científica y el hecho de que, al menos en Estados Unidos, no se usan todos los fondos disponibles para este tipo de investigación. Por ejemplo, la Iniciativa Nacional de Nanotecnología de Estados Unidos asignó entre US$ 16 y 28 millones al estudio de las grandes implicaciones sociales de la nanotecnología, pero ha gastado menos de la mitad de lo presupuestado.
La menor capacidad científica que suelen tener los países en desarrollo probablemente significará que en estos países la regulación eficaz de los aspectos éticos y de los riesgos asociados a las nanotecnologías irá por detrás del mundo desarrollado. Sin embargo, hay indicios de que se están abordando las cuestiones éticas del uso de la nanotecnología para obtener agua limpia.
Algunos investigadores exigen más investigación sobre los posibles riesgos ambientales y para la salud del uso de la nanotecnología para el tratamiento de aguas. [6] Por ejemplo, preocupa que la mayor reactividad de las nanopartículas las vuelva más tóxicas. Su reducido tamaño también implicaría que son difíciles de retener, y que se podrían dispersar más fácilmente en el aire y dañar la vida acuática. Todavía se desconocen todos los efectos de la exposición a los nanomateriales, desde su manipulación en plantas de tratamiento hasta su consumo a través del agua tratada.
Pero se puede hacer una distinción, en términos de evaluación del riesgo, entre nanopartículas activas y pasivas. Las pasivas, como las que se usan para revestir un material, no presentarían ni más ni menos riesgo que otros procesos de fabricación. [21] En cambio, las activas, que pueden dispersarse en el ambiente, implicarían riesgos asociados a su control y contención.
Entonces, ¿pueden las nanotecnologías resolver realmente los problemas del agua de los países en desarrollo? Hay dos señales positivas de que así será. En primer lugar, los profesionales y científicos que se ocupan del tema del agua involucran cada vez más a las comunidades locales en diálogos efectivos para la comprensión de los problemas y las oportunidades, derivados del uso de la nanotecnología aplicada al mejoramiento del agua.
En segundo lugar, puesto que la comercialización de la nanotecnología aún está dando sus primeros pasos, podemos esperar que el diálogo entre los investigadores, las comunidades y la industria aliente a científicos y empresarios a desarrollar modelos de negocio adecuados para el aprovechamiento de sus invenciones.
David J. Grimshaw es responsable del programa internacional de nuevas tecnologías de Acción Práctica, y consultor en nuevas tecnologías de SciDev.Net.
