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 niveles detectables de PFAS, una familia de compuestos particularmente persistentes conocidos como químicos permanentes, también llamados, 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. Los materiales a base de seda natural y celulosa pueden eliminar estos químicos persistentes, así como una amplia variedad de metales pesados. Y sus propiedades antimicrobianas pueden ayudar a proteger los filtros contra daños.
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, telas repelentes al agua, espumas contra incendios y revestimientos antiadherentes para utensilios de cocina. Un estudio reciente identificó 57.000 sitios contaminados con estos químicos sólo en Estados Unidos. La Agencia de Protección Ambiental de Estados Unidos 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 en el agua potable a menos de 7 partes por billón.
La contaminación por PFAS y compuestos similares es “en realidad un gran problema, y las soluciones actuales sólo pueden resolver parcialmente el problema de manera muy eficiente o económica”, dice Zhang. “Es por eso que se nos ocurrió esta solución totalmente natural a base de proteínas y celulosa”, dice.
“Llegamos a este proyecto por casualidad”, señala Marelli. La tecnología inicial que hizo posible el material de filtración fue desarrollada por su grupo con un propósito completamente ajeno: como una forma de crear un sistema de etiquetado para evitar la propagación de semillas falsas, que a menudo eran de calidad inferior. Su equipo ideó un método para procesar proteínas de seda en cristales uniformes a nanoescala, o “nanofibrillas”, mediante un método de fundición por gotas 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 añadir otro material: la celulosa, que está disponible en abundancia y se puede obtener a partir de residuos 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 “sembra” con nanocristales de celulosa para moldearla en nanofibrillas. Esto hace que las moléculas de seda ya dañadas se unan a las semillas, formando la base de un material híbrido con nuevas propiedades distintas.
Al integrar celulosa en fibras a base de seda que pueden formar una membrana delgada y luego ajustar 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 fuertes propiedades antimicrobianas. Esta es una ventaja importante, ya que una de las principales causas de fallos en las membranas de filtración es la contaminación por bacterias y hongos. Los investigadores afirman que las propiedades antimicrobianas de este material deberían reducir en gran medida este problema de incrustaciones.
“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 actualmente pueden superar a algunos de ellos”, dice Marelli. En pruebas de laboratorio, los materiales pudieron eliminar órdenes de magnitud más del agua que los materiales estándar utilizados actualmente, el carbón activado o el carbón activado granulado.
Si bien el nuevo trabajo sirve como prueba de principio, dice Marielli, el equipo planea continuar trabajando para mejorar el material, particularmente en términos de sostenibilidad y disponibilidad de material de origen. Si bien las proteínas de seda usadas pueden estar disponibles como subproducto de la industria textil de la seda, este suministro puede ser insuficiente si este material se amplía para satisfacer las necesidades globales de filtración de agua. Además, pueden surgir materiales proteicos alternativos para realizar la misma función a un costo menor.
Inicialmente, el material probablemente se utilizará como filtro de punto de uso, que se puede conectar al grifo de la cocina, dice Zhang. En última instancia, se puede ampliar para proporcionar filtración para los suministros de agua municipales, pero sólo después de que las pruebas demuestren que no representará ningún riesgo de contaminación del suministro de agua. Pero una gran ventaja del material, afirma, es que tanto los componentes de seda como de celulosa se consideran sustancias de calidad alimentaria, por lo que la contaminación es poco probable.
“La mayoría de los materiales genéricos disponibles hoy en día se centran en una clase de contaminantes o abordan un solo problema”, dice Zhang. “Creo que estamos entre los primeros en resolver todos estos problemas simultáneamente”.
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. Este trabajo fue apoyado por la Oficina de Investigación Naval, la Fundación Nacional de Ciencias y la Alianza Singapur-MIT para la Investigación y la Tecnología.
