Avance en Nanotecnología 3D Ofrece Agua Limpia Purificada por Luz Solar

Que todas las personas tengan acceso a agua potable segura y limpia es uno de los principales desafíos que enfrenta el mundo hoy.

Aproximadamente la mitad de la población mundial, según el Informe de Desarrollo del Agua de la ONU 2024, experimenta escasez de agua severa al menos parte del año. Los déficits de agua han estado vinculados a un aumento del 10 % en la migración global.

Los bajos niveles de tratamiento de aguas residuales provocan una mala calidad del agua en los países de bajos ingresos, mientras que la escorrentía agrícola es un gran problema en los países de altos ingresos.

Mientras tanto, la demanda de agua potable limpia sigue aumentando a medida que crece la población mundial. El rápido crecimiento demográfico, la urbanización y la creciente necesidad de agua de los sectores energético, agrícola e industrial contribuyen al aumento de la demanda de agua.

Sin embargo, los datos indican que miles de millones de personas carecerán de acceso a agua segura, saneamiento e higiene en 2030. En 2022, 703 millones de personas no tenían un servicio básico de agua, mientras que una cifra mucho mayor, 2.200 millones, carecían de agua potable gestionada de forma segura.

En medio de esto, la disponibilidad de agua se vuelve menos predecible, mientras que se proyecta que la escasez de agua aumente con el alza de las temperaturas globales debido al cambio climático. Los recursos hídricos también están en riesgo por la contaminación y las enfermedades transmitidas por el agua.

El Desafío de las Aguas Residuales No Tratadas

Una gran mayoría de los desechos industriales, según las Naciones Unidas, se dispone en naciones en desarrollo sin ser completamente tratados.

Meanwhile, only a small fraction of the world’s wastewater is adequately treated. According to the UN, the proposition of total wastewater receiving some level of treatment could only be calculated for 73 countries (42% of the world’s population), out og 107 countries (73% of the global population) that reported wastewater statistics for 2022.

Los informes sobre el tratamiento de aguas residuales industriales son extremadamente limitados, con datos solo de 22 países (8 % de la población mundial), donde solo se ha reportado que el 38 % de las aguas residuales industriales ha sido tratado. Además, solo el 27 % de las aguas residuales ha sido tratado de forma segura.

En cuanto a las aguas residuales domésticas (hogar), el 42 % no se trató de forma segura. La razón principal fue la falta de un sistema adecuado para recolectar aguas grises y negras.

El agua residual es el agua generada después del uso doméstico, industrial y comercial de agua cruda, agua dulce o agua potable. Contiene diversas sustancias que pueden ser nocivas para los ecosistemas y la salud humana.

Sustancias como metales pesados, contaminantes orgánicos e inorgánicos, patógenos y descargas industriales, entre otros, introducidos al agua no se descomponen naturalmente, lo que significa que persisten en el medio ambiente.

Luego están los contaminantes emergentes, incluidos detergentes, productos químicos industriales, fármacos, cianotoxinas, hormonas, sustancias per- y polifluoroalquil (PFAS) y nanomateriales, que están causando estragos.

La innovación tecnológica puede proporcionar opciones de tratamiento de alto rendimiento y bajo costo para garantizar agua limpia, barata y suficiente para todos.

Algunas de estas innovaciones en purificación de agua incluyen tecnologías de membranas avanzadas como ósmosis inversa (RO), ultrafiltración (UF) y destilación por membrana de contacto directo (DCMD).

Los filtros alimentados por energía solar utilizan energía solar para hacer que el agua limpia sea accesible en áreas remotas. Tecnologías emergentes como la electrocoagulación, las celdas de combustible microbiano y los procesos avanzados de oxidación también están ayudando a mejorar la calidad del agua.

Otra innovación tecnológica que impulsa la purificación del agua es la nanotecnología, que ofrece una eliminación eficiente de contaminantes y gérmenes.

Nanotecnología para un Tratamiento de Agua Eficaz

Los métodos convencionales de desinfección del agua son altamente eficaces y, por lo tanto, ampliamente utilizados, pero tienen sus desventajas. Por ejemplo, en la cloración existe el riesgo de formación de subproductos de desinfección dañinos. La radiación ultravioleta, por su parte, requiere importantes aportes de energía y tiene una eficacia limitada contra, por ejemplo, E. coli resistente a la tetraciclina.

Con el fin de mejorar los procesos de tratamiento del agua, los científicos han realizado avances tecnológicos que han llevado al uso de la nanotecnología en la purificación del agua para consumo seguro.

La nanotecnología implica la manipulación deliberada de la materia a una escala extremadamente pequeña, y tiene el potencial de desempeñar un papel clave en la gestión integrada del agua para aumentar la efectividad de los tratamientos e incluso ampliar los suministros de agua mediante el uso de fuentes de agua no convencionales.

Para aumentar el acceso a agua potable limpia y segura, la nanotecnología trata aguas subterráneas, superficiales y residuales con nanomateriales innovadores. Algunos de los avances en nanotecnología utilizados para el tratamiento de aguas residuales incluyen nanopartículas magnéticas, nanopartículas bioactivas, nanofiltración, nanoadsorbentes, nanocatalizadores, polvos nano, nanobiócidos y nanofibras.

Los científicos han demostrado popularmente el uso de nanotubos de carbono y nanocelulosa para la filtración de agua. Estos métodos eliminan metales pesados tóxicos del agua, evitan que peligros biológicos y químicos ingresen al agua y adsorben contaminantes de los flujos de agua. Incluso se han utilizado nanopartículas de oro para limpiar el agua de contaminantes como pesticidas y productos farmacéuticos.

Aunque la nanotecnología ofrece soluciones prometedoras para el agua potable, enfrenta posibles riesgos para la salud y el medio ambiente derivados de los nanomateriales y también mayores dificultades en la producción a gran escala y el costo, lo que limita su implementación.

Ahora, investigadores de la Universidad Estatal de Ohio están ofreciendo un nuevo método para purificar el agua potable: mantas nanotecnológicas 3D.

Fabricadas con nanofibras de dióxido de titanio (TiO₂), aprovechan la luz solar para descomponer contaminantes nocivos en el agua y generar energía sostenible. No generan subproductos tóxicos, y el equipo cuenta con las herramientas para escalarlas comercialmente.

Un Nuevo Método para Purificar Agua Potable

En el estudio más reciente, respaldado por la National Science Foundation, los investigadores han creado un nuevo material para purificar agua al eliminar contaminantes peligrosos.

El nuevo material se ha desarrollado combinando dos métodos: geles de química blanda y electrospinning de mezcla.

En el electrospinning, un método de producción de fibras, se aplica una fuerza eléctrica a una solución para crear nanofibras. Este método se usa comúnmente para preparar nanofibras largas y continuas. El equipo desarrolló tiras delgadas similares a fibras de dióxido de titanio de esta manera.

El dióxido de titanio (TiO₂) es un compuesto inorgánico que se utiliza típicamente en sensores de gas, células solares, fotocatálisis y tecnologías de auto‑limpieza.

Aunque el compuesto es una gran fuente alternativa de energía, los sistemas de combustible solar que usan sus nanopartículas suelen estar limitados en potencia. Esto se debe a que solo pueden realizar fotocatálisis al absorber luz ultravioleta (UV) no visible, lo que resulta en baja eficiencia y requiere sistemas de filtración complejos que crean desafíos en su implementación.

Además, la corta vida útil de los electrones y huecos fotogenerados en las nanopartículas de TiO₂ obstaculiza su utilización eficaz, mientras que la falta de una nanostructura auto‑soportada de fácil recuperación sigue siendo un desafío.

Varios estudios han explorado su dopado con diversos iones metálicos como Ag (plata), Fe (hierro), Pd (paladio), Pt (platino), Zn (zinc), Mn (manganeso), B (boro) y Zr (circonio) para superar estas limitaciones y potenciar las propiedades fotocatalíticas del dióxido de titanio.

Pero fue el cobre (Cu) el que mostró promesa. Añadir este metal blando con muy alta conductividad térmica y eléctrica al material cambió las cosas. Sin embargo, esto requirió reducir la banda prohibida óptica y aumentar la relación superficie‑volumen del TiO₂ dopado con Cu para obtener la actividad fotocatalítica deseada, lo que dio lugar a otros problemas.

Por lo tanto, los investigadores tuvieron que diseñar un sistema que proporcione nanopartículas de TiO₂ dopadas con Cu estables y con una alta relación superficie‑volumen mediante procesos basados en nanofibras.

Haga clic aquí para aprender cómo la desalinización alimentada por energía solar está resolviendo la escasez de agua.

Una Herramienta de Remediación de Agua y Generación de Energía

El estudio, publicado en la revista Advanced Science¹, detalló las nuevas estructuras resultantes, que se denominan nano‑mantas. Estas nano‑mantas podrían absorber suficiente energía lumínica para descomponer contaminantes peligrosos en el aire y el agua.

“No ha existido una manera fácil de crear algo como una manta que puedas colocar sobre el agua y comenzar a generar energía. Pero somos los únicos que hemos fabricado estas estructuras y los únicos que han demostrado que realmente funcionan.”

Lo que añadió el cobre al dióxido de titanio fue que supercargó el proceso de destrucción de contaminantes.

Bajo este proceso, cuando el TiO₂ absorbe luz, se forman electrones, que oxidan el agua y atacan los contaminantes, los cuales son destruidos hasta volverse benignos.

Para determinar la alta efectividad del nuevo material, los investigadores caracterizaron las propiedades actualizadas de la nano‑mata. Esto les ayudó a comprender cómo se comportaba y qué exactamente la hacía diferente de otras nanopartículas autolimpiantes.

Los investigadores descubrieron que, al exponerse a la luz solar natural, estas nano‑mantas pueden ser más exitosas en la generación de energía que las células solares tradicionales.

“Estas nano‑mantas pueden usarse como generador de energía, o como herramientas de remediación de agua. En ambos casos, tienes un catalizador con la mayor eficiencia reportada hasta la fecha.”

– Gouma

Además, estas mantas de fibra son ligeras, fáciles de retirar y pueden flotar y funcionar sobre cualquier cuerpo de agua. También son reutilizables y pueden soportar múltiples ciclos de limpieza.

Dada la alta efectividad de estas nano‑mantas, los investigadores ven su uso en la eliminación de contaminantes industriales del agua en países en desarrollo y en convertir ríos y lagos contaminados en fuentes de agua potable limpia.

Además, el hecho de que esta tecnología no genere subproductos tóxicos la hace respetuosa con el medio ambiente.

“Es un material seguro, no dañará nada y es tan limpio como puede ser.”

– Gouma

En cuanto a la comercialización de esta tecnología eficiente, para la cual el equipo cuenta con las herramientas adecuadas, depende de que las industrias le presten atención.

“Tenemos las herramientas para fabricarlas en grandes cantidades y trasladarlas a diversas industrias. La única limitación es que se necesita a alguien que aproveche estos abundantes recursos.”

– Gouma

En general, el equipo cree en el potencial de las nano‑mantas. Podrían usarse para proveer agua potable limpia en plantas de tratamiento de agua, áreas remotas y esfuerzos de ayuda en desastres. Dependiendo de pruebas adicionales y escalabilidad, podrían surgir aplicaciones comerciales dentro de 3 a 5 años.

El equipo cree que estas nano‑mantas también podrían ser herramientas prometedoras en muchas futuras aplicaciones fotocatalíticas. Estas incluyen esfuerzos de sostenibilidad a largo plazo como la producción de hidrógeno impulsada por el sol y la remediación ambiental.

Por ahora, el equipo está trabajando en formas de avanzar el material, que es completamente novedoso. Esta nueva forma de nanotecnología, dijo Gouma, es “realmente impresionante y algo que nos entusiasma mucho”.

Empresa Innovadora

Xylem Inc.  

Un líder global en tecnología del agua, Xylem desarrolla soluciones innovadoras para la purificación y el tratamiento del agua, lo que lo convierte en un fuerte candidato para integrar sistemas de purificación de agua basados en nanotecnología.

La compañía ofrece productos en una variedad de aplicaciones, incluyendo agua, bombas de agua, equipos de tratamiento, bombas, válvulas y intercambiadores de calor. También proporciona instrumentación analítica para pruebas de agua y soluciones para el uso inteligente y la conservación de recursos críticos de agua y energía.

En cuanto al tratamiento de aguas residuales, Xylem ofrece un proceso biológico llamado tratamiento aeróbico, que se lleva a cabo en presencia de oxígeno y convierte los orgánicos en dióxido de carbono y nueva biomasa. Luego está el tratamiento anaeróbico de aguas residuales, que ocurre en ausencia de oxígeno, donde los microorganismos descomponen los desechos orgánicos. Se usa generalmente para el tratamiento de aguas residuales industriales cálidas y de alta carga con gran cantidad de materia orgánica biodegradable.

Xylem también ofrece una solución digital de gestión del agua llamada Water One® que optimiza su sistema de tratamiento de agua para mayor eficiencia.

Los sistemas de desinfección de la compañía se ofrecen para aplicaciones municipales, industriales y recreativas. Incluyen analizadores y controladores de proceso, equipos de generación de dióxido de cloro, sistemas de suministro de gas, sistemas de ozono, sistemas de generación de hipoclorito, sistemas de desinfección por ultravioleta y más.

Sus sistemas de agua de alta pureza, por su parte, tratan el agua a través de varios pasos para ayudarle a cumplir con los estándares de calidad para aplicaciones críticas en laboratorios, atención médica, farmacéutica y la industria de semiconductores.

Las soluciones de filtración de Xylem cubren todo, desde filtros de medios regenerativos, filtros de disco, filtros de arena, filtros de microsarena de alta eficiencia, filtros de presión hasta membranas de ósmosis inversa, bombas de tornillo, sistemas UF, microfiltración, sistemas de control de olores en fase vapor y suavizadores de agua. Esto ofrece una amplia gama de opciones para uso recreativo e industrial, así como para piscinas y tratamiento terciario de aguas residuales para municipios.

Ahora, Xylem es una empresa con capitalización de mercado de 29,65 mil millones de dólares cuyas acciones, al momento de escribir, cotizan a 122,02 $, con un aumento del 5,17 % en lo que va del año. Tiene un EPS (TTM) de 3,65, una relación P/E (TTM) de 33,40 y un ROE (TTM) de 8,55 %. La compañía paga un rendimiento de dividendo del 1,31 %.

En cuanto a los resultados financieros, para el cuarto trimestre de 2024, reportó un aumento del 7 % en ingresos a 2,3 mil millones de dólares, mientras que los pedidos fueron de 2,2 mil millones. Las ganancias por acción del trimestre fueron de 1,34 $, un 22 % más, y fueron de 1,18 $ en base ajustada, un 19 % más.

“El equipo entregó un sólido cuarto trimestre para cerrar un año récord para Xylem. Todos los segmentos entregaron un fuerte crecimiento de pedidos en el Q4, dándonos impulso de cara a 2025 con una demanda subyacente resiliente.”

– CEO Matthew Pine

El ingreso neto durante el trimestre fue de 326 millones de dólares, y el ingreso neto ajustado fue de 287 millones. Xylem aumentó su dividendo del primer trimestre en un 11 % a 0,40 $ por acción, que se pagó a los accionistas este mes.

Para el año completo 2024, los ingresos fueron de 8,6 mil millones de dólares, un aumento del 16 %. Las ganancias por acción fueron de 3,65 $, un 31 % más, y de 4,27 $ en base ajustada, un 13 % más.

Para todo este año, la perspectiva de Xylem es de ingresos entre 8,6 y 8,7 mil millones de dólares, y se pronostica que el margen de flujo de caja libre será del 9 al 10 %.

Se espera que las ganancias por acción de este año estén en el rango de 4,50 a 4,70 $. Según Pine:

“Nuestra guía para 2025 refleja el compromiso del equipo con nuestro marco a largo plazo mientras continuamos capacitando a nuestros clientes para abordar los mayores desafíos hídricos del mundo.”

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Conclusión

El mundo enfrenta una crisis hídrica con millones que carecen de acceso a agua potable segura y saneamiento. Esta escasez de agua es el resultado de una población creciente, contaminación, sobreexplotación y cambio climático. Se proyecta que la situación empeore aún más en los próximos años, creando la necesidad de soluciones rentables y más eficientes para abordar el problema.

El tratamiento de aguas residuales es una de esas estrategias cruciales que puede ayudar a mitigar la escasez de agua al mejorar la calidad del agua, aumentar el acceso al agua, reducir la dependencia de fuentes de agua dulce y convertir el agua en un recurso más sostenible.

La nanotecnología ha prometido durante mucho tiempo revolucionar la purificación del agua, pero aún no ha logrado una adopción generalizada. Por lo tanto, el desarrollo de mantas nanotecnológicas 3D marca un avance significativo. Estas mantas utilizan la luz solar para eliminar contaminantes mientras generan energía sostenible.

La naturaleza ligera y reutilizable de estas nano‑mantas, combinada con la ausencia de subproductos tóxicos, las convierte en una alternativa respetuosa con el medio ambiente a los métodos de filtración convencionales. A medida que las industrias tomen nota, esta novedosa tecnología podría redefinir nuestro enfoque del tratamiento del agua a nivel global. Una comercialización exitosa, mientras tanto, satisfará las necesidades de agua potable limpia y segura de cientos de millones de personas en todo el mundo!

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