Un nuevo material de filtración podría eliminar los químicos eternos del agua

Las membranas a base de seda natural y celulosa desarrolladas por investigadores del MIT pueden eliminar muchos tipos de contaminantes, incluidos PFAS y metales pesados.

La contaminación del agua por sustancias químicas es un problema que crece rápidamente en todo el mundo. Un estudio reciente de los Centros para el Control y la Prevención de Enfermedades de EE.UU. reveló que el 98% de las personas analizadas tenían niveles detectables de PFAS, una familia de compuestos especialmente duraderos también conocidos como «sustancias químicas eternas», en su torrente sanguíneo.

Ahora, un nuevo material de filtración desarrollado por investigadores del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT) podría aportar una solución natural a este problema de contaminación. El material, basado en seda natural y celulosa, puede eliminar una amplia variedad de estas sustancias químicas persistentes, así como metales pesados. Además, sus propiedades antimicrobianas pueden evitar que los filtros se ensucien.

Los hallazgos se describen en la revista ACS Nano, en un artículo de Yilin Zhang, postdoctorado del MIT, Benedetto Marelli, catedrático de Ingeniería Civil y Medioambiental, y otros cuatro investigadores del MIT.

Las sustancias químicas PFAS están presentes en una amplia gama de productos, como cosméticos, envases de alimentos, ropa impermeable, espumas contra incendios y revestimientos antiadherentes para utensilios de cocina. Un estudio reciente identificó 57.000 lugares contaminados por estas sustancias químicas sólo en Estados Unidos. La Agencia de Protección del Medio Ambiente de EE.UU. (EPA) ha calculado que el saneamiento de los PFAS costará 1.500 millones de dólares al año, con el fin de cumplir la nueva normativa que exige limitar el compuesto a menos de 7 partes por billón en el agua potable.

La contaminación por PFAS y compuestos similares «es realmente un problema muy grave, y las soluciones actuales sólo pueden resolverlo parcialmente», afirma Zhang. «Por eso se nos ocurrió esta solución basada en proteínas y celulosa, totalmente natural», añade.

«Llegamos al proyecto por casualidad», apunta Marelli. La tecnología inicial que hizo posible el material de filtración fue desarrollada por su grupo para un fin totalmente ajeno a él: como forma de fabricar un sistema de etiquetado para contrarrestar la propagación de semillas falsificadas, que suelen ser de calidad inferior. Su equipo ideó una forma de procesar las proteínas de la seda en cristales nanoescalares uniformes, o «nanofibrillas», mediante un método de colado por goteo a base de agua y a temperatura ambiente.

Zhang sugirió que su nuevo material nanofibrilar podría ser eficaz para filtrar contaminantes, pero los intentos iniciales con las nanofibrillas de seda solas no funcionaron. El equipo decidió probar a añadir otro material: la celulosa, disponible en abundancia y que puede obtenerse a partir de residuos de pulpa de madera agrícola. Los investigadores utilizaron un método de autoensamblaje en el que la proteína fibroína de la seda se suspende en agua y luego se modela en nanofibrillas insertando «semillas» de nanocristales de celulosa. Esto hace que las moléculas de seda, antes desordenadas, se alineen a lo largo de las semillas, formando la base de un material híbrido con nuevas propiedades distintivas.

Integrando la celulosa en las fibrillas de seda que podían formar una fina membrana, y ajustando después la carga eléctrica de la celulosa, los investigadores produjeron un material muy eficaz para eliminar contaminantes en pruebas de laboratorio.

Descubrieron que la carga eléctrica de la celulosa también le confería fuertes propiedades antimicrobianas. Se trata de una ventaja significativa, ya que una de las principales causas de fallo de las membranas de filtración es la contaminación por bacterias y hongos. Según los investigadores, las propiedades antimicrobianas de este material deberían reducir en gran medida este problema.

«Estos materiales pueden competir realmente con los actuales materiales estándar en la filtración de agua cuando se trata de extraer iones metálicos y estos contaminantes emergentes, y también pueden superar a algunos de ellos en la actualidad», afirma Marelli. En pruebas de laboratorio, los materiales fueron capaces de extraer del agua órdenes de magnitud superiores de contaminantes que los materiales estándar utilizados actualmente, el carbón activado o el carbón activado granular.

Aunque el nuevo trabajo sirve como prueba de principio, afirma Marelli, el equipo tiene previsto seguir trabajando para mejorar el material, sobre todo en términos de durabilidad y disponibilidad de materiales de origen. Aunque las proteínas de seda utilizadas pueden obtenerse como subproducto de la industria textil de la seda, si este material se ampliara para satisfacer las necesidades mundiales de filtración de agua, el suministro podría ser insuficiente. Además, es posible que otros materiales proteínicos cumplan la misma función a menor coste.

En un principio, el material se utilizaría probablemente como filtro de punto de uso, algo que podría acoplarse a un grifo de cocina, afirma Zhang. Con el tiempo, podría ampliarse para filtrar el agua municipal, pero sólo después de que las pruebas demuestren que no hay riesgo de introducir contaminación en el suministro. Pero una gran ventaja del material, dice, es que tanto la seda como los componentes de celulosa se consideran sustancias aptas para uso alimentario, por lo que es improbable cualquier contaminación.

«La mayoría de los materiales normales disponibles en la actualidad se centran en una clase de contaminantes o resuelven problemas aislados», afirma Zhang. «Creo que somos de los primeros en abordar todos ellos simultáneamente».

«Lo que me encanta de este planteamiento es que sólo utiliza materiales cultivados de forma natural, como la seda y la celulosa, para combatir la contaminación», afirma Hannes Schniepp, catedrático de Ciencias Aplicadas del College of William and Mary, que no ha participado en este trabajo. «En enfoques competidores, se utilizan materiales sintéticos, que normalmente sólo requieren más química para combatir algunos de los resultados adversos que ha producido la química. [Este trabajo] rompe este ciclo… Si se puede producir en serie de forma económicamente viable, podría tener un gran impacto».