Puede que "zwitteriónico" no sea una palabra que se encuentre todos los días, pero para el profesor Patrick Doyle del Departamento de Ingeniería Química del MIT, es una palabra fundamental para la tecnología que su grupo está desarrollando para eliminar los microcontaminantes del agua.Derivadas de la palabra alemana "zwitter", que significa "híbrido", las moléculas "zwitteriónicas" son aquellas que tienen el mismo número de cargas positivas y negativas.

Devashish Gokhale, Ph.D.estudiante del laboratorio de Doyle, utiliza el ejemplo de un imán para describir materiales zwitteriónicos: "En un imán, tienes un polo norte y un polo sur que se pegan entre sí, y en una molécula zwitteriónica, tienes una carga positiva y una negativacargas que se adhieren entre sí de manera similar".

Debido a que muchos microcontaminantes inorgánicos y algunos microcontaminantes orgánicos están cargados, Doyle y su equipo han estado investigando cómo desplegar moléculas zwitteriónicas para capturar microcontaminantes en el agua.

Enun nuevo papelennaturaleza agua, Doyle, Gokhale y el estudiante universitario Andre Hamelberg explican cómo utilizan hidrogeles zwitteriónicos para capturar de manera sostenible microcontaminantes orgánicos e inorgánicos del agua con una complejidad operativa mínima.En el pasado, las moléculas zwitteriónicas se han utilizado como recubrimientos de membranas paratratamiento de aguadebido a sus propiedades antiincrustantes.Pero en el sistema del grupo Doyle, las moléculas zwitteriónicas se utilizan para formar el material de andamio, o columna vertebral dentro del hidrogel: una red tridimensional porosa de cadenas de polímeros que contiene una cantidad significativa de agua.

"Las moléculas zwitteriónicas ejercen una atracción muy fuerte hacia el agua en comparación con otros materiales que se utilizan para fabricar hidrogeles o polímeros", afirma Gokhale.Es más, lo positivo ycargas negativassobre las moléculas zwitteriónicas hacen que los hidrogeles tengan una compresibilidad menor que la que se ha observado comúnmente en los hidrogeles.Esto genera hidrogeles significativamente más hinchados, robustos y porosos, lo cual es importante para la ampliación del sistema basado en hidrogel para el tratamiento de agua.

Buscando una solución sostenible

Los microcontaminantes son materiales químicamente diversos que pueden ser perjudiciales para la salud humana y el medio ambiente, aunque normalmente se encuentran en concentraciones bajas (de microgramos a miligramos por litro) en relación con los contaminantes convencionales.Los microcontaminantes pueden ser orgánicos o inorgánicos y pueden ser naturales o sintéticos.Los microcontaminantes orgánicos son en su mayoría moléculas a base de carbono e incluyen pesticidas y sustancias perfluoroalquiladas (PFAS), conocidas como "sustancias químicas eternas".Los microcontaminantes inorgánicos, como los metales pesados ​​como el plomo y el arsénico, tienden a ser más pequeños que los microcontaminantes orgánicos.Desafortunadamente, tanto los microcontaminantes orgánicos como los inorgánicos están omnipresentes en el medio ambiente.

Muchos microcontaminantes provienen deprocesos industriales, pero los efectos del cambio climático inducido por el hombre también están contribuyendo a la propagación ambiental de microcontaminantes.Gokhale explica que en California, por ejemplo, los incendios queman cables eléctricos de plástico y filtran microcontaminantes a los ecosistemas naturales.

Doyle añade que "aparte del cambio climático, cosas como las pandemias pueden aumentar la cantidad de microcontaminantes orgánicos en el medio ambiente debido a las altas concentraciones de productos farmacéuticos en las aguas residuales".

No sorprende, entonces, que en los últimos años los microcontaminantes se hayan convertido en una preocupación cada vez mayor.Estos productos químicos han llamado la atención de los medios y han provocado "cambios significativos en laingeniería ambientaly regulatorio", afirma Gokhale.

En marzo de 2023, la Agencia de Protección Ambiental de EE. UU. (EPA) propuso una norma federal estricta que regularía seis sustancias químicas PFAS diferentes en el agua potable.Apenas en octubre pasado, la EPA propuso prohibir el microcontaminante tricloroetileno, una sustancia química cancerígena que se puede encontrar en limpiadores de frenos y otros productos de consumo.Y tan recientemente como noviembre, la EPA propuso que se exigiera a las empresas de agua de todo el país que reemplazaran todas sus tuberías de plomo para proteger al público de la exposición al plomo.

A nivel internacional, Gokhale destaca el Convenio de Oslo-París, cuya misión es proteger el medio marino del noreste del Océano Atlántico, incluida la eliminación gradual de la descarga de productos químicos en alta mar procedentes de las industrias del petróleo y el gas.

Con cada nueva regulación necesaria para proteger la seguridad de nuestros recursos hídricos, crece la necesidad de procesos eficaces de tratamiento del agua.Para agravar este desafío está la necesidad de realizar procesos de tratamiento de agua que sean sostenibles y energéticamente eficientes.

El método de referencia para tratar los microcontaminantes del agua es el carbón activado.Sin embargo, fabricar filtros con carbón activado consume mucha energía y requiere temperaturas muy altas en instalaciones grandes y centralizadas.Gokhale dice que "se necesitan aproximadamente cuatro kilogramos de carbón para producir un kilogramo de carbón activado, por lo que se pierde una cantidad significativa de dióxido de carbono en el medio ambiente".Según el Foro Económico Mundial, el tratamiento mundial del agua y las aguas residuales representa el 5% de las emisiones anuales.Sólo en Estados Unidos, la EPA informa que los sistemas de agua potable y aguas residuales representan más de 45 millones de toneladas de emisiones de gases de efecto invernadero al año.

"Necesitamos desarrollar métodos que tengan una huella climática menor que los métodos que se utilizan industrialmente hoy en día", afirma Gokhale.

Apoyando un proyecto de "alto riesgo"

En septiembre de 2019, Doyle y su laboratorio se embarcaron en un proyecto inicial para desarrollar una plataforma basada en micropartículas para eliminar una amplia gama de microcontaminantes del agua.Su grupo había estado utilizando hidrogeles en el procesamiento farmacéutico para formular moléculas de fármacos en formato de píldora.Pronto se dio cuenta de que su trabajo farmacéutico con hidrogeles podía aplicarse a cuestiones medioambientales como el tratamiento del agua.

En marzo de 2022, Doyle, Gokhale y el estudiante universitario del MIT Ian Chenhallazgos publicadosdescribiendo su uso de micelas dentro de hidrogeles para el tratamiento del agua.Las micelas son estructuras esféricas que se forman cuando moléculas llamadas tensioactivos (que se encuentran en cosas como el jabón) entran en contacto con agua u otros líquidos.

El equipo pudo sintetizar partículas de hidrogel cargadas de micelas que absorben los microcontaminantes del agua como una esponja.A diferencia del carbón activado, el sistema de partículas de hidrogel está fabricado con materiales respetuosos con el medio ambiente.Además, los materiales del sistema se fabrican a temperatura ambiente, lo que los hace mucho más sostenibles que el carbón activado.

A partir de ese éxito, Doyle y su equipo comenzaron en septiembre de 2022 a trasladar su tecnología del laboratorio al mercado.Han podido construir, probar y perfeccionar prototipos a escala piloto de su plataforma de hidrogel.Las iteraciones del sistema han incluido el uso de moléculas zwitteriónicas, un avance novedoso con respecto a su trabajo anterior.

La rápida eliminación de microcontaminantes es de especial importancia en los procesos comerciales de tratamiento de agua, donde hay una cantidad limitada de tiempo que el agua puede pasar dentro de la unidad de filtración operativa.Esto se conoce como tiempo de contacto, explica Gokhale.En los sistemas de tratamiento de agua a escala municipal o industrial, los tiempos de contacto suelen ser inferiores a 20 minutos y pueden ser tan cortos como cinco minutos.

"Pero a medida que la gente intentaba centrarse en estos microcontaminantes emergentes que preocupaban, se dieron cuenta de que no podían llegar a concentraciones suficientemente bajas en las mismas escalas de tiempo que los contaminantes convencionales", dice Gokhale.

"La mayoría de las tecnologías se centran sólo en moléculas específicas o clases específicas de moléculas. Por lo tanto, tenemos tecnologías completas que se centran únicamente en las PFAS, y luego tenemos otras tecnologías para el plomo y los metales. Cuando empiezas a pensar en eliminar todos estos contaminantes del agua,, terminas con diseños que tienen una gran cantidad de operaciones unitarias y eso es un problema porque tienes plantas que están en el medio de grandes ciudades y no necesariamente tienen espacio para expandirse para aumentar sus tiempos de contacto de manera eficiente.eliminar múltiples microcontaminantes", añade.

Dado que las moléculas zwitteriónicas poseen propiedades únicas que les confieren una alta porosidad, los investigadores han podido diseñar un sistema para una absorción más rápida de microcontaminantes del agua.Las pruebas muestran que los hidrogeles pueden eliminar seis microcontaminantes químicamente diversos al menos 10 veces más rápido que el carbón activado comercial.

El sistema también es compatible con un conjunto diverso de materiales, lo que lo hace multifuncional.Los microcontaminantes pueden unirse a muchos sitios diferentes dentro de la plataforma de hidrogel: los microcontaminantes orgánicos se unen a las micelas o tensioactivos, mientras que los microcontaminantes inorgánicos se unen a las moléculas zwitteriónicas.Se pueden intercambiar micelas, tensioactivos, moléculas zwitteriónicas y otros agentes quelantes para sintonizar esencialmente el sistema con diferentes funcionalidades según el perfil del agua que se está tratando.

Este tipo de adición "plug-and-play" de varios agentes funcionales no requiere un cambio en el diseño o la síntesis de la plataforma de hidrogel, y agregar más funcionalidades no elimina la funcionalidad existente.De esta manera, el sistema zwitteriónico puede eliminar rápidamente múltiples contaminantes en concentraciones más bajas en un solo paso, sin necesidad de grandes unidades industriales ni gastos de capital.

Quizás lo más importante es que las partículas del sistema del grupo Doyle se pueden regenerar y utilizar una y otra vez.Simplemente sumergiendo las partículas en un baño de etanol, se pueden eliminar los microcontaminantes para un uso indefinido sin pérdida de eficacia.Cuando se utiliza carbón activado para el tratamiento del agua, el propio carbón activado se contamina con microcontaminantes y debe tratarse como residuo químico tóxico y eliminarse en vertederos especiales.Con el tiempo, los microcontaminantes de los vertederos volverán a entrar en el ecosistema, perpetuando el problema.

Arjav Shah, candidato a doctorado y MBA en el Departamento de Ingeniería Química del MIT y en la Escuela de Administración Sloan del MIT, respectivamente, se unió recientemente al equipo para liderar los esfuerzos de comercialización.El equipo ha descubierto que los hidrogeles zwitteriónicos podrían usarse en varios contextos del mundo real, desde lechos empaquetados industriales a gran escala hasta aplicaciones portátiles, fuera de la red y a pequeña escala, por ejemplo, en tabletas que podrían limpiar el agua en uncantina... y han comenzado a probar la tecnología a través de una serie de programas de comercialización en el MIT y en el área metropolitana de Boston.

Las fortalezas combinadas de cada miembro del equipo continúan impulsando el proyecto de manera impactante, incluidos estudiantes universitarios como Andre Hamelberg, el tercer autor delnaturaleza aguapapel.Hamelberg participa en el Programa de Oportunidades de Investigación de Pregrado (UROP) del MIT.Gokhale, que también es miembro del Laboratorio Mundial de Seguridad Alimentaria y del Agua de Abdul Latif Jameel (J-WAFS), brinda capacitación y tutoría a Hamelberg y otros estudiantes de UROP en el laboratorio.

"Vemos esto como una oportunidad educativa", dice Gokhale, señalando que los estudiantes de UROP aprenden ciencias e ingeniería química a través de la investigación que realizan en el laboratorio.El proyecto también ha sido "una forma de hacer que los estudiantes universitarios se interesen en el tratamiento del agua y en los aspectos más sostenibles de la ingeniería química", afirma Gokhale.Agrega que es "uno de los pocos proyectos que abarca desde el diseño de sustancias químicas específicas hasta la construcción de pequeños filtros y unidades, su ampliación y comercialización. Es una muy buena oportunidad de aprendizaje para los estudiantes universitarios y siempre estamos emocionados de tenerellos trabajan con nosotros."

En cuatro años, la tecnología ha podido pasar de una idea inicial a una tecnología con aplicaciones escalables en el mundo real, lo que la convierte en un proyecto J-WAFS ejemplar.La fructífera colaboración entre J-WAFS y el laboratorio Doyle sirve de inspiración para cualquier profesorado del MIT que desee aplicar su investigación a proyectos de sistemas hídricos o alimentarios.

"El proyecto J-WAFS sirve para desmitificar lo que hace un ingeniero químico", afirma Doyle."Creo que existe una vieja idea de que la ingeniería química trabaja sólo con petróleo y gas. Pero la ingeniería química moderna se centra en cosas que mejoran la vida y el medio ambiente".

Esta historia se vuelve a publicar por cortesía de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un sitio popular que cubre noticias sobre investigación, innovación y enseñanza del MIT.