La contaminación del agua por productos químicos utilizados en la tecnología actual es un problema que crece rápidamente en todo el mundo. Un estudio reciente realizado por los Centros para el Control de Enfermedades de EE. UU. encontró que el 98 por ciento de las personas analizadas tenían PFAS detectables, una familia de compuestos particularmente persistentes, también conocidos como químicos permanentes, en la sangre.
Un nuevo material de filtración desarrollado por investigadores del MIT puede proporcionar una solución basada en la naturaleza a este persistente problema de contaminación. Según el material, seda natural y celulosa, este puede eliminar continuamente diversos tipos de productos químicos y metales pesados. Y sus propiedades antimicrobianas pueden ayudar a proteger los filtros de la suciedad.
Los resultados se describen en la revista. ACS NanoEn un artículo del posdoctorado del MIT Yilin Zhang, el profesor de ingeniería civil y ambiental Benedetto Marelli y otras cuatro personas del MIT.
Los productos químicos PFAS están presentes en una amplia gama de productos, incluidos cosméticos, envases de alimentos, ropa resistente al agua, espuma contra incendios y revestimientos antiadherentes para utensilios de cocina. Un estudio reciente identificó 57.000 sitios contaminados con esta sustancia química sólo en Estados Unidos. La Agencia de Protección Ambiental de EE.UU. estima que la remediación de PFAS costará 1.500 millones de dólares al año, para cumplir con las nuevas regulaciones que exigen limitar el compuesto a menos de 7 partes por billón en el agua potable.
La contaminación por PFAS y compuestos similares “es en realidad un problema muy importante, y las soluciones actuales sólo pueden abordar parcialmente este problema de manera muy eficiente o económica”, dijo Zhang. “Así que se nos ocurrió esta solución totalmente natural a base de proteínas y celulosa”, dice.
“Llegamos a este proyecto por casualidad”, señala Marelli. La primera tecnología que hizo posible el material de filtración fue desarrollada por su grupo con un propósito totalmente ajeno: como una forma de crear un sistema de etiquetado para combatir la proliferación de semillas falsas, que a menudo son de mala calidad. Su equipo desarrolló una forma de procesar proteínas de seda en cristales uniformes a nanoescala, o “nanofibrillas”, mediante un método de fundición a base de agua, ambientalmente benigno, a temperatura ambiente.
Zhang sugirió que su nuevo material nanofibrilar podría ser eficaz para filtrar contaminantes, pero los esfuerzos iniciales con nanofibrillas de seda por sí solas no funcionaron. El equipo decidió intentar agregar otro ingrediente: celulosa, que es abundante y se deriva de desechos de pulpa de madera agrícola. Los investigadores utilizaron un método de autoensamblaje en el que la proteína de fibroína de seda se suspende en agua y luego se moldea en nanofibrillas insertando “semillas” de nanocristales de celulosa. Combina moléculas de seda previamente desnaturalizadas con semillas, formando la base de un material híbrido con nuevas propiedades distintas.
Al integrar la celulosa en fibrillas a base de seda que pueden formarse en una membrana delgada y luego proteger la carga eléctrica de la celulosa, los investigadores crearon un material que fue muy eficaz para eliminar contaminantes en pruebas de laboratorio.
Descubrieron que la carga eléctrica de la celulosa también le otorgaba poderosas propiedades antimicrobianas. Esta es una ventaja significativa, ya que una de las causas principales del fallo de la membrana de filtración es la contaminación por bacterias y hongos. Los investigadores afirman que las propiedades antimicrobianas de este material deberían reducir en gran medida el problema de la contaminación.
“Estos materiales realmente pueden competir con los materiales estándar actuales en la filtración de agua cuando se trata de eliminar iones metálicos y estos contaminantes emergentes, y pueden superar a algunos de ellos actualmente”, dijo Marelli. En pruebas de laboratorio, los materiales pudieron eliminar órdenes de magnitud más contaminantes del agua que los materiales estándar utilizados actualmente, el carbón activado o el carbón activado granular.
Si bien el nuevo trabajo sirve como prueba de principio, dijo Marelli, el equipo planea continuar trabajando para mejorar el material, particularmente en términos de sostenibilidad y disponibilidad de materiales de origen. Aunque las proteínas de seda utilizadas pueden obtenerse como subproducto de la industria textil de la seda, el suministro puede ser insuficiente si se quiere ampliar este material para satisfacer las demandas globales de filtración de agua. Además, los componentes proteicos alternativos pueden realizar la misma función a un costo menor.
Inicialmente, el material probablemente se utilizará como filtro de punto de uso, algo que se puede conectar al grifo de la cocina, dijo Zhang. Finalmente, podría ampliarse para proporcionar filtración para los suministros de agua municipales, pero sólo después de que las pruebas demuestren que no representará un riesgo de introducción de contaminación en el suministro de agua. Pero una gran ventaja del material, afirma, es que tanto la seda como la celulosa se consideran materiales aptos para uso alimentario, por lo que no hay posibilidad de contaminación.
“La mayoría de los materiales disponibles hoy en día se centran en una clase de contaminante o resuelven un único problema”, dijo Zhang. “Creo que somos los primeros en abordar todo esto a la vez”.
El equipo de investigación incluyó a los postdoctorados del MIT Hui Sun y Meng Li, el estudiante graduado Maxwell Kalinowski y el recién graduado Yunteng Cao PhD ’22, ahora postdoctorado en Yale. El trabajo contó con el apoyo de la Oficina de Investigación Naval, la Fundación Nacional de Ciencias y la Alianza Singapur-MIT para la Investigación y la Tecnología.