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Nuevos materiales

Altísima calidad

Una arcilla sintética elimina los residuos del procesamiento de nanotubos de carbono

lqes / unicampLos nanotubos de paredes múltiples purificados son detectados en el microscopio electrónico de transmisión de la Unicamplqes / unicamp

El grupo de investigación del profesor Oswaldo Alves, del Laboratorio de Química del Estado Sólido de la Universidad Estadual de Campinas (LQES-Unicamp), desarrolló un método sencillo e innovador para el tratamiento de los residuos sobrantes en los laboratorios luego de la purificación de los nanotubos de carbono, formados por láminas de átomos de carbono enrolladas en forma de tubos. Mediante el empleo de nanopartículas de hidrotalcita sintética, un tipo de arcilla,  los investigadores lograron remover alrededor del 99% de las impurezas del efluente resultante del proceso de purificación.

La hidrotalcita es una arcilla altamente adsorbente, compuesta por capas de cationes –iones con carga eléctrica positiva– de hidróxido mixto de metales, generalmente aluminio y magnesio, intercaladas con capas de aniones –iones con carga eléctrica negativa–, como el carbonato. En el proceso de adsorción, las moléculas o iones quedan retenidos en la superficie de la hidrotalcita, debido a interacciones químicas o físicas.

Este método inédito de limpieza de efluentes generados en sistemas de purificación de nanotubos redundó en el depósito de una patente nacional y su extensión internacional a cargo de la Agencia de Innovación de la Unicamp, Inova. La patente internacional fue requerida para resguardar los resultados del trabajo presentados en el Congreso NanoSafe 2010, en Grenoble, Francia, con la participación de investigadores que trabajan con los riesgos de la nanotecnología y de empresas productoras de nanomateriales.

La necesidad de purificar los nanotubos en laboratorio surgió en 2003, cuando los investigadores planeaban estudiar la interacción de las nanoestructuras con organismos vivos. Una de las investigaciones realizadas en esa línea, esencial para el desarrollo del proceso de purificación, fue llevada adelante por el biólogo Diego Stéfani Martinez durante su doctorado, dirigido por Alves. También participaron activamente en la investigación, que engloba desde la purificación y caracterización de las nanoestructuras hasta la interacción entre éstas y los diferentes niveles de organización de los biosistemas, los investigadores Antonio Gomes de Souza Filho y Natália Parizotto. El objetivo consistió en analizar los impactos que los nanotubos podrían causar en el ecosistema acuático, por ejemplo.

Para este estudio, se utilizó el microcrustáceo bioindicador Daphnia similis, conocido como pulga de agua. Se evaluaron diferentes concentraciones de nanotubos en agua mineral durante 48 horas, con la intención de verificar si interferían en la movilidad de la pulga de agua, lo que sería considerado un efecto adverso. El resultado apuntó la ausencia de toxicidad aguda para el microcrustáceo hasta la concentración de 30 miligramos por litro.

Pero, para desarrollar éste y otros estudios similares, era necesario contar con nanotubos de alta calidad, sin residuos de carbono amorfo o de los catalizadores metálicos empleados en el proceso de síntesis. “La purificación es una etapa esencial para desarrollar nuevos usos químicos de los nanotubos y también para que podamos emplear las nanoestructuras en estudios de interacción con sistemas biológicos”, dice Alves. En esa época, los nanotubos existentes en el mercado presentaban una heterogeneidad muy grande. En una misma muestra podían hallarse estructuras de diferentes formas, diámetros y tenor de impurezas.

Era necesario contar con un estándar. Fueron cuatro años hasta llegar a un protocolo consistente de purificación, pero surgió un nuevo residuo surgió y había que tratarlo. “Logramos eliminar las impurezas de la síntesis, pero no las impurezas de la oxidación, llamadas de debris de oxidación”, dice Alves. Esto sucede porque, para permitir que los nanotubos se dispersen en el agua y sean compatibles con distintos materiales, se efectúa un tratamiento con mezclas altamente oxidantes, que contienen ácido sulfúrico y ácido nítrico.

Para eliminar dichas impurezas, se hizo necesario agregar al proceso una solución de soda cáustica (hidróxido de sodio) diluida, empleada en la industria para la fabricación de papel, telas, detergentes, alimentos y biodiesel. No obstante, no se podía descartar sin ningún tipo de tratamiento el efluente resultante, un líquido de color oscuro constituido por una compleja mezcla de sustancias poliaromáticas y materia orgánica. De no ser tratado adecuadamente, éste puede contaminar las napas freáticas y los ríos con sustancias químicas difíciles de extraerse en estaciones de tratamiento de agua antes del consumo humano.

“Decidimos entonces dar inicio a la purificación de la purificación”, dice Alves. Fue entonces que los investigadores resolvieron testear la hidrotalcita, que desde los años 1990 era estudiada en laboratorio, debido a sus propiedades fisicoquímicas. Tanto es así que se la había empleado en un proceso de tratamiento de efluentes de la industria textil, desarrollado en asociación con la empresa Contech (lea en la edición 155 de Pesquisa FAPESP).

En las pruebas realizadas, la arcilla eliminó los residuos que se formaron en el proceso de purificación de los nanotubos, generando un sólido oscuro que puede separarse por decantación. Además de la ventaja de la eliminación de las impurezas de oxidación, la solución de hidróxido de sodio restante puede volver al proceso y reutilizarse con la misma eficiencia. El polvo oscuro obtenido, al pasar por un tratamiento térmico, elimina la materia orgánica y vuelve a ser blanco. De esta forma, puede también reutilizarse en un nuevo proceso de remoción sin pérdida de eficiencia.

Artículos científicos
STÉFANI, D. et al. Structural and proactive safety aspects of oxidation debris from multiwalled carbon nanotubes. Journal of Hazardous Materials. v. 189, p. 391-96. 2011.
ALVES, O. L. et al. Hydrotalcites: a highly efficient ecomaterial for effluent treatment originated from carbon nanotubes chemical processing. Journal of Physics: Conference Series. 304 012024. 2011.

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