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Resumen
Garantizar la calidad del agua a partir de los procesos de tratamiento de purificación es un tema de suma importancia, dados los niveles de contaminación que se conocen hoy en día. Algunos de los contaminantes más difíciles de remover son los de tipo orgánico, de los cuales sus efectos son particularmente nocivos, dado que aumentan la demanda química y bioquímica de oxígeno, generando el agotamiento de oxígeno en el agua afectando a los ecosistemas. Los contaminantes orgánicos han incrementado su concentración en el agua y han sido identificados conforme avanza la industrialización de la sociedad.
La adsorción es un método efectivo en la remoción de contaminantes orgánicos disueltos en agua, pero que requiere invariablemente del uso de materiales adsorbentes. Idealmente, los adsorbentes deben ser selectivos, de fácil regeneración y geométricamente manejables para su uso en equipos que operen de forma continua. Los adsorbentes poliméricos han sido objeto de estudio debido a su flexibilidad de formulación, facilidad de regeneración, maleabilidad, entre otras ventajas.
En los últimos años ha habido una gran variedad de estudios enfocados en la mejora de los procesos que intervienen en el tratamiento del agua, esto a raíz del aumento de la variedad y concentración de compuestos que son considerados como contaminantes. De acuerdo con el Manual de Agua Potable, Alcantarillado y Saneamiento (CONAGUA, 2014), los procesos de tratamiento de agua incluyen principalmente tres etapas: el tratamiento primario, secundario y terciario.
Dentro del tratamiento primario se realiza la separación de materiales flotantes; sólidos grandes; material sedimentable (material que debido a su peso se va al fondo de los contenedores o de las tuberías); arena y aceite, este último al ser insoluble en agua y tener una densidad menor que el agua. En el tratamiento secundario se lleva a cabo la remoción de materia orgánica como coliformes fecales; la disminución de la turbiedad y la desinfección del agua para evitar la presencia de microorganismos patógenos. Finalmente, en el tratamiento terciario se eliminan o remueven contaminantes que se encuentran suspendidos y/o disueltos en el agua (Garg, 2021).
Dentro de los compuestos orgánicos disueltos en agua encontramos al fenol y sus derivados cuya presencia en el agua residual es debida al vertimiento de desechos del sector industrial. Estos compuestos son utilizados con diferentes fines como la preparación de resinas sintéticas, plaguicidas y colorantes; para la preservación de madera, pinturas y cuero; y la manufactura de fungicidas, y tintes (Khoshraftar & Ghaemi, 2023). Los compuestos fenólicos son altamente tóxicos y sus efectos adversos han hecho imperativo controlar o reducir su concentración en efluentes acuosos. De acuerdo con la Norma Oficial Mexicana NOM-127-SSA1-1994 "Salud ambiental, agua para uso y consumo humano-límites permisibles de calidad y tratamientos a que debe someterse el agua para su potabilización" el límite máximo permisible de fenoles en agua potable es de 0.001mg/L (Diario Oficial de la Federación, 1996).
Otro tipo de solutos orgánicos disueltos en el agua son los llamados contaminantes emergentes (CE), los cuales derivan de la actividad antropogénica, tienen la característica de ser poco biodegradables, tóxicos y altamente persistentes en medios acuosos a pesar de encontrarse a bajas concentraciones. Algunas de las sustancias consideradas CE son los antiespumantes, surfactantes, plaguicidas, fármacos, entre otros (Meléndez, 2020). En la actualidad los procesos de tratamiento convencionales no contemplan dentro de sus protocolos la disminución de la concentración de CE presentes en el agua, por ello, en los últimos años se han llevado a cabo diversas investigaciones enfocadas en remover o eliminar a los CE de los efluentes acuosos a través de procesos como la microfiltración, cloración, procesos de oxidación avanzada, fotocatálisis, coagulación-floculación, reactores de membrana o adsorción. La adsorción es el método comúnmente utilizado en la remoción de contaminantes orgánicos en medio acuoso debido a su efectividad, flexibilidad y bajo costo de operación
La adsorción es un fenómeno que se lleva a cabo en la superficie química de los materiales, en el que las moléculas extraídas de la fase líquida (adsorbato) se concentran en la superficie del material sólido poroso conocido como adsorbente, este último es el corazón del proceso. La adsorción ocurre por la afinidad energética entre el adsorbato y el adsorbente.
Las interacciones moleculares entre el adsorbato y el adsorbente pueden ser de baja o alta energía. Se denomina fisisorción si la fuerza intermolecular es de baja energía, lo que permite que el proceso sea reversible, es decir, las moléculas que se depositaron en la superficie pueden desorberse y el adsorbente puede ser reutilizado, además, las moléculas adsorbidas no pierden su identidad química, en otras palabras, mantienen su estructura sin reaccionar con el adsorbente y sin generar nuevos compuestos. Cuando las interacciones intermoleculares son de alta energía se da lugar a la quimisorción, la cual requiere de una cantidad de energía similar a la de una reacción química. En la quimisorción se forman enlaces covalentes o iónicos que ocasionan frecuentemente que el adsorbato quede adherido irreversiblemente al adsorbente y en donde la molécula química original del soluto puede sufrir cambios en su estructura (Gökırmak Söğüt & Gülcan, 2023).
¿Qué características debe tener el adsorbente? Se busca que los materiales cuenten con alta estabilidad química y térmica, baja o nula solubilidad con el fluido en contacto, facilidad de manejo de acuerdo con su geometría, alta fuerza mecánica para contrarrestar el desgaste físico del material, capacidad de regeneración para su reuso, alta área superficial y selectividad.
Existen diferentes tipos de adsorbentes, como las zeolitas que son de origen natural, materiales silíceos como el carbón activado o los adsorbentes poliméricos que son de origen sintético. El carbón activado es ampliamente utilizado debido a su alta capacidad y versatilidad de adsorción. Sin embargo, presenta desventajas relacionadas a sus etapas de acondicionamiento, como la calcinación que se lleva a cabo a altas temperaturas (> 800°C); y la activación química mediante reactivos inorgánicos como el cloruro de zinc o ácido fosfórico (Ray, 2023). Por su parte, los adsorbentes poliméricos han sido objeto de estudio debido a su flexibilidad de formulación y a la facilidad de síntesis a pequeña o grande escala. Finalmente, la regeneración de los adsorbentes poliméricos se logra fácilmente mediante desorción con disolventes base agua a temperatura ambiente.
Los adsorbentes poliméricos son diseñados estratégicamente para remover un grupo de adsorbatos con características comunes entre ellos, como los compuestos orgánicos (fenol y sus derivados, fármacos) o los inorgánicos (sales, colorantes). En el caso de los adsorbentes poliméricos, se desea que mantengan sus propiedades tanto físicas como químicas durante su uso en la adsorción. Para ello, es muy importante elegir los grupos funcionales que los componen y el grado de reticulación.
La reticulación es la formación de puntos de unión entre cadenas poliméricas, que se logra por la acción de una molécula que tiene más de un sitio para reaccionar, es decir, que puede unir dos o más cadenas poliméricas, esta molécula es conocida como agente reticulante. Algunas características del polímero se modifican con la reticulación, como la formación de sólidos insolubles, el incremento de la dureza del producto, y la capacidad de retención de agua (factor de hinchamiento). Entre mayor sea el grado de reticulación, menor es el factor de hinchamiento.
Polímeros de baja reticulación y alto factor de hinchamiento tienen aplicación en la fabricación de pañales, hidrogeles para mantener la humedad del suelo, la fabricación de lentes de contacto, entre otros. En este sentido, los adsorbentes poliméricos se sintetizan en presencia de un agente reticulante para limitar la absorción/retención de agua y favorecer la adhesión de las moléculas contaminantes en la superficie del material. Asimismo, para formar sólidos que contengan cavidades en su interior donde pueden alojar a los adsorbatos.
Los ingenieros encargados de operar el proceso de separación mediante adsorción se ocupan igualmente del diseño de materiales con características adsorbentes. En su tarea, combinan los conocimientos fundamentales de adsorción con las necesidades del proceso aplicado a gran escala. Para ello, utilizan equipos en forma de columna que pueden funcionar de manera continua. Las columnas se llenan con el material adsorbente, para ponerse en contacto con el agua que atraviesa el lecho. El contacto del adsorbente con el agua suele ser violento, ocasionando el deterioro físico de los adsorbentes, por ello, incrementar la resistencia mecánica de los adsorbentes es indispensable. Los ingenieros diseñan materiales con diferentes geometrías, que pueden ser monolitos porosos, lechos empacados o lechos fluidizados. Para formar un lecho empacado, se prefiere el uso de material granulado, con objeto de evitar altas caídas de presión en los equipos.
Los adsorbentes poliméricos se pueden conformar fácilmente como perlas esféricas, que facilitan el contacto con el fluido en cualquier posición, provocando que la interacción sea la misma en cualquier punto de la esfera. De esta manera, los sitios activos del polímero pueden ser alcanzados fácilmente desde la superficie externa hasta el interior de la partícula, gracias a la porosidad. Por otra parte, desde el punto de vista operativo, las esferas amplían la superficie de contacto entre la fase estacionaria y el fluido, disminuyendo la dificultad del paso del fluido a través del lecho e incrementando la posibilidad de retención de los contaminantes. En resumen, la remoción de contaminantes de medios acuosos mediante el uso de equipos que operan en flujo continuo es fundamental para abordar el tratamiento de grandes volúmenes de agua.
La adsorción es un fenómeno que se lleva a cabo en la superficie de un material, y es ampliamente utilizado para eliminar sustancias disueltas en el agua debido a la afinidad de los adsorbatos con el adsorbente empleado.
Los adsorbentes poliméricos han sido desarrollados con diversas formulaciones para mejorar su afinidad con grupos de contaminantes y aumentar su capacidad de captura/remoción. Los polímeros adsorbentes contienen un agente reticulante que los hace insolubles y más resistentes, reduciendo a la vez, la retención de agua por absorción. De esta manera, al incrementar su dureza y reducir el factor de hinchamiento, se pueden diseñar las condiciones para mantener a los polímeros operando durante grandes periodos de tiempo.
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