Escarabajo del desierto: una ayuda para el planeta seco

Universidad Nicolás Copérnico de Torun

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Crédito: NCU/Anna Jaszczuk

Un número de científicos cuyo trabajo está inspirado en el comportamiento natural crece constantemente. La flor de loto, con su capacidad de autolimpieza, se describe comúnmente en la literatura y puede ser el mejor ejemplo de la tendencia. Los investigadores comenzaron a preguntarse por qué la flor se comporta de esta manera y decidieron estudiar su estructura con el uso de microscopios. Por lo tanto, podrían sacar la conclusión de que la estructura es altamente hidrofóbica, es decir, mantiene las gotas de agua en la superficie. Luego, el agua recoge las partículas de polvo y, al fluir hacia abajo, las elimina al fluir hacia abajo. Significa que las fuerzas de adherencia, las responsables de acumular agua en la flor, son débiles, pero al mismo tiempo, la suciedad se adhiere fácilmente a las gotas, lo que resulta en una autolimpieza. Debido a la observación, se han desarrollado superficies autolimpiantes tales como superficies pintadas, tejas o textiles.

Los pétalos de rosa, sin embargo, muestran una estructura diferente. Una gota de agua, al caer sobre un pétalo cuya superficie es hidrofóbica, se adhiere y no fluye hacia abajo. El efecto pétalo está relacionado con el desarrollo de una superficie hidrofóbica caracterizada por una alta adherencia.

Las ranas capaces de caminar sobre los techos constituyen otro caso interesante. Aquí surge la pregunta: ¿por qué no caerá del techo cuya superficie es rugosa? Los científicos decidieron examinar la estructura del dedo de rana y reproducirlo. Ahora, se aplica una solución similar en sobres autoadhesivos. El pegamento está protegido con una tira de papel que se puede despegar fácilmente. Aún así, cuando el pegamento entre en contacto con algún otro tipo de papel y el sobre esté cerrado, no se abrirá sin cortar.

La naturaleza ha creado sistemas aún más complejos. Para ejemplificarlo, la estructura de la armadura del escarabajo del desierto revela un carácter dual, ya que es a la vez hidrofílica e hidrofóbica y, por lo tanto, hay áreas que absorben y repelen el agua de la superficie. Debido a este fenómeno, los escarabajos sobreviven en un ambiente tan hostil como el desierto; nada se pega a su armadura, arena mojada en particular, y el agua se acumula sobre las áreas hidrofóbicas que les permite beber y existir.

- Mientras miraba un canal, vi un programa en el que se presentaba un escarabajo parado sobre sus patas y atrapando el rocío de la mañana. El insecto obtiene agua de la niebla, dice el Dr. hab. Joanna Kujawa Prof. NCU de la Facultad de Química. - Debido a que las partes restantes de la superficie de la armadura están cubiertas con cera, el agua fluye hacia abajo y el escarabajo puede beberla y sobrevivir en un clima tan duro.

Los investigadores comenzaron a preguntarse cómo transferir la solución de la naturaleza al laboratorio porque este fenómeno se emplea en el proceso de destilación por membrana. - En este caso, las enzimas se incorporan a la membrana por absorción, es decir, una cierta adhesión a la superficie, no por enlace químico - explica el Prof. Dr. hab. Wojciech Kujawski de la Facultad de Química, NCU. - Si se trata de absorción física, la desorción puede ocurrir fácilmente, ya que las fuerzas que actúan son débiles.

Se trata de reforzar las membranas que, debido a los enlaces químicos, son más duraderas. Las membranas se degradan con el tiempo, pero se produce de forma más lenta que en el caso de las desarrolladas aplicando otra capa. El uso de quitosano ha resultado ser una buena solución ya que el material es abundante y fácilmente disponible en la Tierra. La quitina, que se puede transformar fácilmente en quitosano, se encuentra naturalmente en las conchas, por ejemplo, en las conchas de los camarones. Hay montones de conchas de mariscos y no tengo idea de qué hacer con ellas. ¿Los científicos de Toru? afirman que la estructura de la armadura del escarabajo se puede imitar y que el quitosano almacenado se puede reutilizar, lo cual es una actitud compleja con respecto al tema. Esto también está en línea con la tendencia de desperdicio cero.

Debido al quitosano, el agua fluirá hacia abajo aún más fácilmente, funcionando como cera en la armadura del escarabajo. Los químicos han decidido unir el quitosano en la región hidrofílica.

- En la destilación por membrana se requiere que la superficie de la membrana sea porosa e hidrofóbica - explica el Prof. Kujawa. Puede encontrar muchos ejemplos del uso de quitosano en membranas, pero nadie lo ha unido nunca mediante enlaces químicos. Nos abrió una nueva perspectiva. Si unimos el quitosano, permanecerá en su lugar; por lo tanto, la conexión será estable.

Los científicos primero modificaron el quitosano y luego lo adhirieron químicamente a la membrana. En la investigación actual, primero modificaron la membrana y luego adhirieron quitosano. Por lo tanto, la membrana es más hidrófila y puede pasar más agua a través de ella.

- Es difícil comparar nuestros resultados con los de otros autores ya que no se han publicado artículos sobre temas similares - dice el Prof. Kujawa. - Los investigadores que aplicaron físicamente quitosano a las membranas modificadas también observaron mejoras, pero no tanto como en nuestros estudios. Debido a esto, podemos ajustar el material a un proceso elegido.

Una membrana desarrollada a partir de la modificación física es de un solo uso, ya que el quitosano se lava (eluye) posteriormente. - En aras del conocimiento, realizamos una prueba de estabilidad de membranas químicamente modificadas utilizadas para la desalinización de agua. La prueba se llevó a cabo en diez ciclos, durante unos pocos días cada uno, revela el Prof. Kujawa. - Notamos ligeros cambios, pero nada se vino abajo.

¿Los químicos de Toru? también han probado las membranas para determinar su resistencia al ensuciamiento. Los estudios se realizaron con el uso de jugos de frutas. La interacción de la pulpa de la fruta con la membrana dio como resultado la acumulación de restos en la superficie, la obstrucción de los poros y, por lo tanto, la membrana no pudo reutilizarse. Sin embargo, en la superficie que contiene quitosano, que además muestra propiedades bactericidas, se producen interacciones completamente diferentes. La pulpa de la fruta no se pega, o incluso si sucede, se puede lavar fácilmente bajo el chorro de agua, sin químicos. La solución puede encontrar diversas aplicaciones prácticas.

Los químicos de la NCU han escrito un par de artículos sobre el tema. El primero se refería a la introducción de quitosano modificado en una membrana y se publicó en Desalination. El siguiente sobre la introducción de quitosano en una membrana modificada se publicó en ACS Applied Materials and Interfaces.

La investigación se lleva a cabo en cooperación con un socio extranjero, el prof. Samer Al-Gharabli del Departamento de Ingeniería Química y Farmacéutica, Universidad Germano-Jordana, Amman (Jordania). - Como parte de esta cooperación, llevamos a cabo una investigación conjunta centrada en el diseño y la formación de los llamados "materiales inteligentes", que son materiales de separación inteligentes con propiedades controladas para una amplia gama de aplicaciones, dice el profesor Kujawa.

- Debido a sus descubrimientos, los científicos quieren desarrollar membranas que simultáneamente transporten agua y retengan sales u otras impurezas de manera aún más eficiente. Obviamente está relacionado con la escasez de agua en nuestro planeta, explica el Prof. Kujawski. - En Polonia, enfrentaremos el problema incluso antes de lo que esperan los mayores pesimistas. Hace algunos años, participé en un seminario en Jordania durante el cual escuché una afirmación de que la falta de agua no debe percibirse desde nuestro estado, sino desde la perspectiva de una unidad administrativa más pequeña. Si divide un país en cuadrados más pequeños, de repente resulta que el porcentaje de población afectada por las limitaciones de agua está creciendo rápidamente. En Polonia, hay acceso al agua a lo largo de los ríos, pero cuando visité Zakopane hace 20 años, pude escuchar a la gente decir 'ahorra agua, nuestros arroyos se están secando'. Los pozos están impuras, no hay fuentes de agua dulce, por lo que el problema de la desecación y el descenso del nivel freático es cada vez mayor.

Por lo tanto, los científicos están buscando diferentes formas de producción de agua potable. En la actualidad, dominan las técnicas de membrana, en particular la ósmosis inversa.

Es el proceso de presión inversa en el que se utilizan membranas no porosas. - Aplicamos la presión de 60 bar y empujamos agua a través de ellos - explica el Prof. Kujawski. El proceso se llama ósmosis inversa porque en un fenómeno de ósmosis típico, el agua se extrae de una solución diluida a una concentrada. Aquí, el agua es empujada desde una solución concentrada a través de una membrana.

Actualmente, de acuerdo con las normas de protección del agua, las unidades que producen agua con el uso de ósmosis inversa están obligadas a disponer de residuos o solución salina concentrada. Antiguamente, las instalaciones se ubicaban junto al mar y los residuos volvían al agua inmediatamente. Hoy en día, es necesario encontrar otras soluciones para reutilizar la solución salina. Puede, por ejemplo, estar aún más concentrado para que empiece a cristalizar. La sal así producida se puede utilizar en varios procesos industriales, es decir, para la producción de cloro o hidróxido de sodio. Alrededor de Toru?, se produce cloro a partir de solución salina en dos grandes plantas, en W?oc?awek e Inowroc?aw.

- Para procesar solución salina, también se puede emplear la destilación inversa, y este es un ejemplo de nuestro trato con los escarabajos, dice el Prof. Kujawski. Aplicamos membranas hidrófobas, porosas, aquellas que transportan líquidos desde la fase de alimentación a la receptora, y como la sal como tal no es volátil, llevamos únicamente el componente que se puede evaporar a través de los poros de la membrana.

Aunque la ósmosis inversa es la técnica de membrana dominante de las que se aplican actualmente, no está exenta de problemas. Como efecto del proceso, aparece una presión osmótica que puede ser muy alta. Para aplicar la ósmosis inversa, los valores de presión deben ser superiores a la presión osmótica. Significa que al principio se debe aplicar una presión superior a la osmótica y este es el precio del proceso. En la destilación por membrana, sin embargo, el esfuerzo energético es significativamente menor ya que todo el proceso se basa en propiedades fisicoquímicas ligeramente diferentes. La destilación es particularmente aplicable en áreas de clima cálido, en países como Italia, España, Grecia, donde los paneles solares se pueden usar de manera efectiva. Cuando un hotel ubicado fuera de los caminos trillados tiene que ser abastecido de agua, se puede montar un panel solar en su techo. El panel calienta agua para la destilación por membrana. Como resultado, por un lado, el lugar se abastece de agua caliente que se distribuye y, por otro lado, se condensa agua fría. Por lo tanto, el agua potable se puede producir a bajo costo, pero solo en cantidades limitadas. En lo que a ósmosis inversa se refiere, estamos hablando de millones de litros diarios.

Además, en países donde el acceso a fuentes de energía baratas es razonablemente fácil, se puede utilizar la llamada electrodiálisis. Este proceso implica el empleo de tipos especiales de membranas que permiten el transporte de iones, pero no de agua. Los cationes se mueven hacia el cátodo, los aniones hacia el ánodo y el agua permanece.

También existe la llamada ósmosis natural, aplicable para la depuración de aguas residuales y el reciclaje de aguas. El agua atraviesa la membrana desde la solución diluida hasta la concentrada. Luego, el agua debe recuperarse de alguna manera de la solución concentrada, que se diluye durante el proceso. Para este propósito, se utiliza un método adicional.

Como proceso, la destilación por membrana se conoce desde hace 50 años. Aunque atrajo la atención de los científicos a principios de la década de 1970, se aplica comercialmente desde hace menos de veinte años, y solo en instalaciones de pequeña escala y baja eficiencia para producir agua potable en viviendas unifamiliares u hoteles. En Europa, la destilación por membrana se investiga más extensamente en Almería (España). - En España, el proceso funciona con energía solar - dice el Prof. Kujawski. - Los españoles tienen un enorme espejo que recoge los rayos del sol, y que calienta no sólo el agua sino también los metales. El calor se usa para calentar y, además, se examina la eficiencia de diferentes configuraciones. Tuve la oportunidad de visitar el lugar hace algunos años, y debo admitir que es impresionante.

Los químicos pueden asegurarnos que la gente ya bebe agua de mar, no necesariamente en Polonia, sino en Israel, por ejemplo. Allí se implementó el proceso de ósmosis inversa para producir agua potable; los hoteles de las Maldivas están equipados con sistemas de destilación por membrana. - En América, todavía existen tribus que llevan un estilo de vida nómada - dice el Prof. Kujawski. - Científicos de una de las universidades equiparon un autobús escolar con paneles solares en el techo y un sistema de destilación de membrana en el interior. Viajan y producen agua para los nómadas que se desplazan por las zonas donde el agua disponible está contaminada con elementos como el arsénico.

Es necesario enfatizar que el agua obtenida por destilación por membrana se destila y requiere mineralización antes de su consumo. Como bromean los científicos, está desnudo y hay que vestirlo.

Es difícil estimar si la producción de agua potable a partir de agua de mar es costosa. Todo depende de las cantidades que queramos producir y de la tecnología que elijamos. Los países ubicados en el Golfo Pérsico aplicaron métodos térmicos que se desarrollaron primero para producir agua potable a partir de agua de mar, y en los que el agua de mar se evapora y condensa repetidamente. El proceso consume mucha energía, pero el potencial de calentamiento en estos países es enorme. Más tarde, a principios de la década de 1960, se desarrollaron las primeras membranas y, poco después, se utilizaron para la filtración. - Debe recordar que cuando nos falte beber, intentaremos obtenerlo sin importar el precio - resume el Prof. Kujawski.

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Interfaces y materiales aplicados de ACS

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