La materia de la que están hechos los rayos puede ayudarnos a depurar el agua y a afrontar la sequía

El agua dulce es un bien escaso que tan sólo representa el 2,5% del agua total presente en nuestro planeta y que no está distribuido de manera uniforme. En regiones donde los recursos hídricos son poco abundantes o escasos, el acceso al agua se complica en situaciones sobrevenidas como tiempos de sequía o cuando se detectan contaminantes nocivos para la salud que los métodos de tratamiento tradicionales no son capaces de eliminar.

Surgen entonces problemas de desabastecimiento que reavivan la competencia que ya existe entre las necesidades de agua de los seres humanos y las de determinadas actividades económicas, particularmente la agroganadera y la industrial.

Asegurar el acceso al agua se plantea como un gran reto que requerirá del uso combinado de muchas y creativas soluciones. Una de ellas es la reutilización. Se basa en la idea de no desechar las aguas residuales, sino aplicarles métodos de tratamiento avanzados que permitan reducir los contaminantes hasta un nivel en el que sean potables, estén lo suficientemente tratadas como para recargar acuíferos o puedan ser reutilizadas de manera segura para riego, lavado o en procesos industriales.

Los métodos convencionales de tratamiento de agua (basados principalmente en la filtración y en la desinfección) se remontan a casi 100 años y no consiguen eliminar contaminantes de creciente preocupación, como compuestos orgánicos que no se degradan durante los tratamientos biológicos aeróbicos, basados en la degradación con bacterias en reactores.

Para conseguir la calidad del agua necesaria para su reutilización, se investigan hoy en día métodos como los procesos de oxidación avanzada. Se trata de procesos químicos que generan grandes cantidades del radical hidroxilo (muy reactivo) con el fin de descomponer compuestos orgánicos (incluyendo los compuestos orgánicos volátiles, pesticidas, compuestos perfluorados, productos de cuidado personal y farmacéuticos, entre otros), microorganismos y virus.

El radical hidroxilo tiene un potencial de oxidación sólo superado por el flúor (que es tóxico) y doble que el del cloro. Tiene, además, la capacidad de descomponer los compuestos orgánicos en agua y dióxido de carbono junto con ácidos minerales y sales. De esta forma, los productos finales son esencialmente inofensivos.

En cuanto a su efecto sobre los microorganismos (como bacterias y hongos) y virus, los radicales hidroxilo los inactivan eficazmente gracias a su capacidad para modificar las propiedades de la membrana celular y llegar al interior de la célula, donde alteran el equilibrio de oxidación-reducción y dañan sus componentes.

Esta tecnología de oxidación avanzada convencional requiere la adición de reactivos químicos al agua para generar los radicales hidroxilo. Entre ellos, peróxido de hidrógeno y ozono.

Un plasma es un gas ionizado que contiene electrones, iones, átomos, moléculas, radicales y fotones. Hay plasmas naturales como los rayos o las auroras, pero también los podemos generar artificialmente comunicando suficiente energía a una sustancia (generalmente en estado gaseoso). Es el caso de los que se encuentran en el interior de los tubos fluorescentes, en algunos sopletes que se emplean para cortar metales y en bisturís médicos, por mencionar algún ejemplo.

La cuestión es ¿cómo podría esa mezcla gaseosa purificar agua? Se ha comprobado que, cuando un plasma se pone en contacto con el agua, genera grandes cantidades de radicales hidroxilo además de otras especies como peróxido de hidrógeno, ozono y aniones superóxido, entre otros.

El plasma también emite radiación ultravioleta y es fuente de ultrasonidos, por lo que su acción desencadena varios procesos de oxidación avanzada de manera simultánea, generándose una sinergia que potencia la eficiencia de la descontaminación. Frente a las técnicas de oxidación avanzada convencionales, la basada en el uso de plasmas tiene la ventaja de no precisar la adición de productos químicos al agua, además de que con ella se alcanzan velocidades de degradación y desinfección superiores.

Las investigaciones existentes hasta el momento son muy prometedoras ya que han demostrado la eficacia del plasma en la degradación de diversos compuestos orgánicos como pesticidas y medicamentos (incluyendo antibióticos), así como en la eliminación de bacterias y virus. Se investiga asimismo la eliminación de microplásticos y algas.

En nuestro laboratorio de la Universidad de Córdoba utilizamos plasmas generados por microondas (muy estables, reproducibles y controlables) para la decoloración de aguas cargadas de tinte, un problema asociado con las aguas residuales procedentes de la industria textil.

En un estudio reciente publicado en la revista Chemosphere hemos demostrado cómo mejorar el diseño del reactor (introduciendo una placa muy delgada de silicio que intensifica el campo eléctrico y la densidad de electrones) para que sea más eficiente y genere mayor cantidad de especies oxidantes en el agua. Esta nueva configuración ha sido empleada para remediar agua con altas concentraciones de tinte y permite reducir los tiempos de tratamiento, incrementando así el rendimiento energético del proceso.

La implantación de esta tecnología en plantas potabilizadoras requerirá resolver algunos aspectos como elucidar los mecanismos implicados en la degradación, controlar la potencial generación de compuestos indeseados y escalar esta tecnología para que se puedan tratar cantidades de agua que permitan satisfacer las necesidades de consumo.

Artículo realizado por María C. García Martínez (Catedrática de Física Aplicada en la Universidad de Córdoba y miembro internacional del Michigan Institute for Plasma Science and Engineering (MIPSE), Universidad de Córdoba), Francisco José Romero Salguero (Catedrático de Química Orgánica, Universidad de Córdoba) y Juan Amaro Gahete (Investigador postdoctoral "Juan de la Cierva", Universidad de Granada).