Los residuos orgánicos de diferentes industrias, como la alimentaria o agrícola, que anualmente produce cerca de mil 300 millones de toneladas de desechos, son clave para limpiar las aguas del planeta.
Así lo ha comprobado el estudio de remediación ambiental emprendido por investigadores del Cinvestav y de la Universidad de Medellín, en Colombia, que busca aprovecharlos.
El objetivo es utilizar la biomasa de residuos como la cáscara de naranja o la fibra de palma, en combinación con cascarón de huevo, para producir carbón vegetal -o biocarbón- susceptible de ser aplicado en la remoción de contaminantes presentes en aguas residuales.
“Se trata de probar la eficiencia de estas biomasas, que se convierten en biocarbonos cuando se pirolizan o se tratan térmicamente a ciertas temperaturas”, expone en entrevista el investigador Juan Muñoz Saldaña (Ecatepec, 1970), responsable del Laboratorio Nacional de Proyección Térmica (Cenaprot), en el Cinvestav Unidad Querétaro.
Como lo explica el ingeniero metalúrgico y doctor en ciencia de materiales, el biocarbón se obtiene a través de un tratamiento térmico de descomposición química -o pirólisis-, a temperaturas de entre 600 y 800 grados Celsius. Lo cual da como resultado una ceniza compuesta por biocerámicos de muy alto valor agregado.
“Lo que estamos aprovechando son los diferentes componentes catiónicos que se tienen en la biomasa, que una vez que fueron calcinados lo que hace es generar compuestos cerámicos.
“Estas biomasas, que tienen contenidos ricos en hidróxido y óxido de calcio, lo que hacen es que, a la postre, cuando se exponen con aguas residuales con fósforo, justamente tienden a adsorber”, explica el científico mexicano.
Adsorción es el término correcto de este proceso químico que neutraliza al fósforo, cuya alta concentración en aguas residuales es uno de los mayores problemas, pues genera mecanismos de eutrofización (contaminación provocada por el exceso de nutrientes procedentes mayoritariamente de los desechos humanos) que hacen que el líquido tenga ese aspecto de color desagradable y maloliente, apunta Muñoz Saldaña.
Dicho de manera más técnica, el hidróxido de calcio presenta alta facilidad de intercambio iónico con el fosfato. Y lo más interesante aquí es que, a través de estos procesos de adsorción, es posible obtener compuestos estables de calcio y fósforo, conocidos como apatitas de calcio, que tienen un potencial uso en la industria de fertilizantes.
“Los fosfatos de calcio son la base de muchos fertilizantes fosfatados. Con pequeñas cantidades que se utilicen como fertilizante se pueden remediar suelos que se consideran ácidos. Es un ciclo que nosotros podemos activar a través de diferentes etapas”, remarca el investigador de Cinvestav.
Además de la fibra de palma y las cáscaras de naranja y de huevo, el consorcio binacional también ha investigado las propiedades del sargazo -recolectado en ciertas épocas del año en algunas zonas costeras, particularmente en playas de Quintana Roo-, con resultados igualmente prometedores.
“Resulta que es la segunda biomasa, que incluso ni siquiera necesita ser enriquecida con cáscara de huevo, que está dando los mejores resultados”, comparte Muñoz Saldaña, quien además enlista entre otros candidatos interesantes la cáscara de papa, los lirios acuáticos y la fibra de arroz.
“Como yo lo veo, la naturaleza nos está colocando una serie de alternativas para generar un planeta sustentable, en el que nosotros estamos aprovechando lo que en principio se ha malinterpretado como residuos, para poder obtener soluciones que nos permitan mantener el equilibrio ecológico del planeta”.
EFICIENCIA DEL 99 POR CIENTO
Para considerar que hay un problema de contaminación por fósforo en aguas residuales domésticas, usualmente, tiene que haber 10 miligramos de éste por cada litro de agua, precisa el investigador Juan Muñoz Saldaña.
En las aguas modelo en las que han probado el biocarbón obtenido de residuos orgánicos, los científicos adicionan cantidades mucho mayores de fósforo, preparando soluciones del orden de 200 miligramos por cada litro de agua, y en algunos casos incluso más.
“Con los tratamientos en aguas modelos, en realidad estamos probando las condiciones extremas para que después, cuando se prueben (los biocompuestos) en aguas residuales, no haya ninguna razón para que esto no pueda funcionar”, sostiene el responsable del Cenaprot, en Cinvestav Querétaro.
Entonces, la forma en cómo evalúan la eficiencia del biocompuesto es, después del contacto con el agua, midiendo cuántos miligramos por gramo de la concentración original de fósforo se han removido.
“La cáscara de naranja enriquecida con cáscara de huevo, que es ahorita nuestro caballito de batalla, nos da más de 300 miligramos por gramo de remoción; es 30 por ciento de lo que originalmente tenías (de fósforo). El sargazo nos está dando del orden de 229 miligramos por cada gramo; el 22, 23 por ciento. Es bastante lo que remueve.
“Normalmente en aguas residuales, donde tienes del orden de 10 miligramos (de fósforo) por litro, cuando pruebas este material tú puedes tener eficiencias de remoción del orden del 99 por ciento por las pequeñas cantidades que hay de fósforo y que causan todos esos problemas. Es muy potente”, subraya el científico.
Esto no quiere decir que el agua sea potable inmediatamente después de esto, resalta Muñoz Saldaña, pues aún son necesarios otros procesos de limpieza -como la microfiltración- para remover residuos de heces fecales o descomposición de materia orgánica de diferentes fuentes.
“Sin embargo, insisto, uno de los contaminantes más, más agresivos en cuanto al aspecto y la evolución de la contaminación de aguas, definitivamente, son los fosfatos”.
Y si bien el proceso de pirólisis para obtener el biocarbón es bastante sencillo, pues se realiza en hornos sin ningún tipo de atmósfera controlada -nada muy diferente a un horno convencional para hacer pizzas, ilustra el investigador-, uno de los retos para optimizar estas rutas de aprovechamiento de biomasas es hacerlo a la menor temperatura posible.
“No es resolver un problema generando otro a través de un proceso altamente contaminante”, señala el doctor en ciencia de materiales, quien acota que se obtienen diferentes reactividades dependiendo precisamente de la temperatura.
En el caso de la fibra de palma con cascarón de huevo, se consiguió un biocompuesto rico en hidróxido de calcio a una temperatura de 600 grados Celsius, lo cual es notable considerando que la reportada en la literatura es de 800 grados, como los necesarios para la cáscara de naranja.
“Lo que hemos estado nosotros reportando es cuál temperatura es la que te da el mejor resultado, buscando las explicaciones en función de su composición química. Para eso se utilizan varias rutas de caracterización”, indica Muñoz Saldaña sobre esta investigación, cuyos resultados se han publicado en revistas como Journal of Environmental Chemical Engineering y Chemosphere.
EL SIGUIENTE PASO
Para poder llevar el desarrollo directo a los canales, reservas acuíferas, ríos y lagos del País, Juan Muñoz Saldaña estima necesario un esfuerzo multidisciplinario, multiinstitucional y con grandes inversiones para tener las condiciones tanto para elaborar en masa el biocompuesto como para procesar miles de litros de agua contaminada.
“Generar empresas de base tecnológica con inversión externa combinada con inversión gubernamental, es lo que yo creo que hace falta”, dice, sin obviar el eterno obstáculo del financiamiento a la ciencia y tecnología en el País.
Su interés como expertos en ciencia de materiales está en seguir impulsando la eficiencia de los biocompuestos obtenidos, incluso combinándolos con microfiltros o fotocatálisis, otra tecnología de remediación ambiental.
Esto ya que, explica Muñoz Saldaña, cuando se hace la adsorción de metales pesados se forman productos fotoactivos.
“Y se pueden utilizar en compuestos complejos que se llaman, por ejemplo, perovskitas, para poder no nada más utilizarlo como un fertilizante para que siga enriqueciendo suelos, sino que ataque otro tipo de contaminación a través de la fotocatálisis, aprovechando la radiación solar.
“Eso es algo que nuestras competencias nos dan para dar el siguiente paso. Seguir impulsando la técnica de adsorción de contaminantes en aguas con otras técnicas que puedan ser extendidas no nada más a aguas, sino también a contaminantes aerotransportados, como virus, bacterias, hongos. La fotocatálisis te permite eso”, concluye.
