Un nanómetro es la milmillonésima parte de un metro, algo imperceptible a simple vista; sin embargo, en la actualidad, vemos cotidianamente cada vez más materiales nanométricos, también conocidos como nanomateriales (NMs) aplicados en la medicina, así como en la fabricación de insumos de cuidado personal, dispositivos electrónicos y muchos otros productos que demanda la sociedad actual. Los NMs también han sido aplicados en distintos procesos ambientales relevantes; por ejemplo, para acelerar la producción de biogás durante el tratamiento de aguas residuales industriales, la biodegradación de contaminantes persistentes, la eliminación de nitrógeno, entre otras aplicaciones (Cervantes & Ramírez-Montoya, 2022).
Con respecto al tratamiento de aguas residuales, los sistemas anaerobios (que son operados sin aire) tienen la ventaja de consumir menos energía eléctrica durante su operación, al prescindir de la inyección de aire para eliminar los principales contaminantes presentes en las aguas residuales. Además, el producto principal que se genera durante la transformación de estos contaminantes es el biogás, el cual está constituido principalmente por el gas metano, el mismo que llega a nuestros hogares como gas natural. El poder energético del biogás le permite ser utilizado como una fuente de energía, la cual se aprovecha en muchas plantas de tratamiento de aguas residuales (PTAR). Por ejemplo, la PTAR de Atotonilco, que trata las aguas vertidas de la Ciudad de México, depurando 23,000 litros de agua cada segundo; es una de las más grandes del mundo y cuenta en su infraestructura con sistemas anaerobios que producen la cantidad de biogás para cubrir hasta el 80 % del consumo eléctrico de esta enorme PTAR.
Sin embargo, muchas aguas residuales industriales contienen contaminantes difíciles de convertir en biogás, por los microorganismos que participan en los procesos anaerobios. Para este tipo de escenarios, se han explorado diversos NMs aplicados en sistemas anaerobios para tratar aguas residuales industriales, con el fin de mejorar la eliminación de contaminantes y la generación de biogás durante estos procesos. Entre los NMs que se han explorado, se encuentran minerales, como la magnetita, así como el grafeno, un material constituido por carbono que forma una lámina de un átomo de espesor, el cual es unas 200 veces más resistente que el acero, pero 5 veces más ligero que el aluminio (Pat-Espadas & Cervantes, 2018). Al ser modificados en el laboratorio, se pueden crear las propiedades físicas y químicas en estos NMs para aumentar su conductividad (capacidad de transferir o conducir electrones).
Esta conductividad la aprovechan los microorganismos encargados de producir biogás a partir de las aguas residuales. En efecto, durante la conversión de los contaminantes presentes en las aguas residuales se requiere la participación de diferentes grupos de microorganismos, los cuales desdoblan contaminantes con una estructura compleja, en un proceso denominado digestión anaerobia. Este proceso consta de cuatro etapas (hidrólisis, acidogénesis, acetogénesis y metanogénesis), las cuales ocurren secuencialmente o en cascada; durante ellas, los productos generados en las primeras etapas son el alimento de los microorganismos que participan en las subsiguientes fases. Por lo tanto, se requiere un trabajo muy bien coordinado entre los diferentes grupos de microorganismos que llevan a cabo el proceso de digestión anaerobia. El papel que juegan los NMs en estos procesos es precisamente el de mejorar la transferencia de electrones, los cuales son partículas cargadas negativamente y que transportan la energía derivada de la descomposición de los contaminantes presentes en las aguas residuales.
La aplicación de NMs en procesos anaerobios para tratar aguas generadas en los rastros, las cuales contienen una alta concentración de residuos de carne, sangre, grasas, entre otros componentes, permitió mejorar la eliminación de estos materiales y convertirlos en biogás (Ramírez-Montoya et al. 2023). Lo mismo ocurrió también cuando estos NMs fueron aplicados en reactores anaerobios para tratar efluentes del sector vitivinícola, los cuales tienen una composición muy distinta, en la cual predominan azúcares, alcoholes y otros compuestos (Ramírez-Montoya et al. 2024). Adicionalmente, se aplicaron NMs metálicos, recuperados de desechos de una fábrica de acero inoxidable, para tratar aguas residuales generadas durante la fabricación de plásticos y se encontró que estos NMs no sólo mejoraban la producción del biogás, sino que lo generaban con un mayor contenido de metano, ya que las impurezas del biogás fueron eliminadas por estos materiales metálicos.
Existen otros procesos que se están explorando actualmente en el Laboratorio de Investigación en Procesos Avanzados de Tratamiento de Aguas (LIPATA), de la Unidad Académica Juriquilla del Instituto de Ingeniería de la Universidad Nacional Autónoma de México (UNAM), en los que los NMs funcionan también para eliminar amoniaco, un compuesto nitrogenado muy tóxico que se encuentra en grandes cantidades en diferentes aguas residuales, como las descargadas de rastros, granjas porcinas, enlatadoras de pescados, entre otros sectores industriales. También, se están desarrollando nuevos NMs para aplicarlos en procesos que permitan evitar la liberación de gases de efecto invernadero en PTAR. Todos estos estudios requieren de enfoques multidisciplinarios en los que participan expertos de diferentes áreas académicas, como ingeniería de materiales, ingeniería de procesos, microbiología, bioquímica, entre otras especialidades.
Bibliografía citada
- Cervantes FJ, Ramírez-Montoya LA (2022) Immobilized nanomaterials for environmental applications. Molecules 27, 6659.
- Pat-Espadas AM, Cervantes FJ (2018) Microbial synthesis of metallic nanoparticles from industrial wastes and their environmental applications. J. Chem. Technol. Biotechnol. 93, 3091-31112.
- Ramírez-Montoya LA, Valenzuela EI, De Velasco-Maldonado PS, Hernández-Montoya V, Menéndez JA, Montes-Morán MA, Cervantes FJ (2023) Carbon-based materials boost the anaerobic treatment of slaughterhouse wastewater. J. Water Proc. Eng. 56, 104533.
- Ramírez-Montoya, L.A., Díaz-Muñiz, C.A., Valenzuela, E.I., Banda-Calderón, D.S., Menéndez, J.A., Montes-Morán, M.A., Cervantes, F. J. (2024) Graphene oxide-doped organic xerogel and magnetite enhance the anaerobic treatment of winery wastewater. J. Water Proc. Eng. 64, 105715.
El doctor Francisco J. Cervantes es investigador titular C de la Unidad Académica Juriquilla del Instituto de Ingeniería de la Universidad Nacional Autónoma de México
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