Nanorremediación

Actualmente, la remediación de aguas subterráneas es la aplicación comercial más común de las tecnologías de nanorremediación. ^{[ 7 ] [ 8 ]} El uso de nanomateriales , especialmente metales de valencia cero (ZVM), para la remediación de aguas subterráneas es un enfoque emergente que resulta prometedor debido a la disponibilidad y eficacia de muchos nanomateriales para degradar o secuestrar contaminantes. ^{[ 13 ]}

La nanotecnología ofrece el potencial de tratar eficazmente los contaminantes in situ , evitando la excavación o la necesidad de bombear agua contaminada del subsuelo. El proceso comienza con la inyección de nanopartículas en un acuífero contaminado a través de un pozo de inyección. Posteriormente, las nanopartículas son transportadas por el flujo de agua subterránea hasta la fuente de contaminación. Al entrar en contacto con los contaminantes, las nanopartículas pueden secuestrarlos (mediante adsorción o complejación ), inmovilizándolos, o bien degradarlos a compuestos menos dañinos. Las transformaciones de contaminantes suelen ser reacciones redox . Cuando la nanopartícula actúa como oxidante o reductor, se considera reactiva. ^{[ 13 ]}

La capacidad de inyectar nanopartículas en el subsuelo y transportarlas hasta la fuente de contaminación es fundamental para un tratamiento eficaz. Las nanopartículas reactivas pueden inyectarse en un pozo, desde donde se transportarán ladera abajo hasta la zona contaminada. Perforar y rellenar un pozo es bastante costoso. Los pozos de inyección directa son más económicos que los perforados y constituyen la herramienta de suministro más utilizada para la remediación con nanohierro. Se puede inyectar una suspensión de nanopartículas a lo largo del rango vertical de la sonda para proporcionar tratamiento a regiones específicas del acuífero. ^{[ 13 ]}

El uso de diversos nanomateriales, incluidos los nanotubos de carbono y el TiO₂ _, se muestra prometedor para el tratamiento de aguas superficiales, incluyendo la purificación, la desinfección y la desalinización. ^{[ 9 ]} Los contaminantes objetivo en las aguas superficiales incluyen metales pesados, contaminantes orgánicos y patógenos. En este contexto, las nanopartículas pueden utilizarse como adsorbentes, como agentes reactivos (fotocatalizadores o agentes redox) o en membranas utilizadas para la nanofiltración .

Las nanopartículas pueden ayudar a detectar niveles traza de contaminantes en entornos de campo, contribuyendo a una remediación eficaz. Los instrumentos que pueden operar fuera de un laboratorio a menudo no son lo suficientemente sensibles para detectar contaminantes traza. Por lo tanto, los sistemas de medición rápidos, portátiles y rentables para contaminantes traza en aguas subterráneas y otros medios ambientales mejorarían la detección y la limpieza de contaminantes. Un método potencial consiste en separar el analito de la muestra y concentrarlo en un volumen menor, facilitando así la detección y la medición. Cuando se utilizan pequeñas cantidades de adsorbentes sólidos para absorber el objetivo para su concentración, este método se denomina microextracción en fase sólida . ^{[ 14 ]}

Gracias a su alta reactividad y gran superficie, las nanopartículas pueden ser adsorbentes eficaces para concentrar contaminantes específicos en la microextracción en fase sólida, especialmente en forma de monocapas autoensambladas sobre soportes mesoporosos. La estructura de sílice mesoporosa , obtenida mediante un proceso sol-gel con plantilla de surfactante , confiere a estas monocapas autoensambladas una gran superficie y una estructura de poros abiertos y rígidos. Este material puede ser un adsorbente eficaz para diversos contaminantes, como metales pesados ​​como mercurio, plomo y cadmio, cromato y arseniato, y radionúclidos como ^99Tc , ^137CS , uranio y actínidos. ^{[ 14 ]}

En 2012, el hierro de valencia cero nanométrico (nZVI) era el material a nanoescala más utilizado en pruebas de remediación de laboratorio y de campo. ^{[ 2 ]} El nZVI puede mezclarse o recubrirse con otro metal, como paladio , plata o cobre , que actúa como catalizador en lo que se denomina una nanopartícula bimetálica. ^{[ 3 ]} El nZVI también puede emulsionarse con un surfactante y un aceite, creando una membrana que mejora la capacidad de la nanopartícula para interactuar con líquidos hidrofóbicos y la protege contra reacciones con materiales disueltos en agua. ^{[ 1 ] [ 2 ]} Los tamaños de partículas de nZVI comerciales a veces pueden exceder las dimensiones “nano” reales (100  nm o menos de diámetro). ^{[ 3 ]}

El nZVI parece ser útil para degradar contaminantes orgánicos, incluidos compuestos orgánicos clorados como los bifenilos policlorados (PCB) y el tricloroetileno (TCE), así como para inmovilizar o eliminar metales. ^{[ 3 ] [ 9 ]} El nZVI y otras nanopartículas que no requieren luz pueden inyectarse bajo tierra en la zona contaminada para la remediación in situ de aguas subterráneas y, potencialmente, la remediación del suelo.

Las nanopartículas de nZVI se pueden preparar utilizando borohidruro de sodio como reductor clave. Se añade NaBH₄ (0,2 M) a una solución de FeCl₃ _{• 6H₂} ( _0,05 M) (relación de volumen ~1:1). El hierro férrico se reduce mediante la siguiente reacción:

4Fe ³⁺ + 3B H ⁻ ₄ + 9H ₂ O → 4Fe ⁰ + 3H ₂ B O ⁻ ₃ + 12H ⁺ + 6H ₂

_Las partículas de Fe paladizadas se preparan sumergiendo las nanopartículas de hierro en una solución de etanol al 1% en peso de acetato de paladio ([Pd(C₂H₃O₂ ) ₂ _] ₃ _{) .} Esto provoca la reducción y deposición de Pd en la superficie del Fe:

Pd ²⁺ + Fe ⁰ → Pd ⁰ + Fe ²⁺

Se pueden utilizar métodos similares para preparar partículas bimetálicas de Fe/Pt, Fe/Ag, Fe/Ni, Fe/Co y Fe/Cu. Con estos métodos,  se pueden producir nanopartículas de 50-70 nm de diámetro. El área superficial específica promedio de las partículas de Pd/Fe es de aproximadamente 35 m² ^/ g. También se ha utilizado con éxito sal de hierro ferroso como precursor. ^{[ 15 ]}

El dióxido de titanio (TiO₂ ₎ también es un candidato destacado para la nanorremediación y el tratamiento de aguas residuales, aunque, según informes de 2010, aún no se había expandido a la comercialización a gran escala. ^{[ 10 ]} Cuando se expone a la luz ultravioleta , como la luz solar , el dióxido de titanio produce radicales hidroxilo , que son altamente reactivos y pueden oxidar contaminantes. Los radicales hidroxilo se utilizan para el tratamiento de agua en métodos generalmente denominados procesos de oxidación avanzada . Debido a que se requiere luz para esta reacción, el TiO₂ _no es apropiado para la remediación subterránea in situ , pero puede utilizarse para el tratamiento de aguas residuales o la remediación de aguas subterráneas mediante bombeo y tratamiento.

_El TiO₂ es económico, químicamente estable e insoluble en agua. El TiO₂ _tiene una amplia energía de banda prohibida (3,2 eV) que requiere el uso de luz UV, en lugar de solo luz visible, para la activación fotocatalítica. Para mejorar la eficiencia de su fotocatálisis, la investigación ha estudiado modificaciones al TiO₂ _o fotocatalizadores alternativos que podrían usar una mayor porción de fotones en el espectro de luz visible . ^{[ 9 ] [ 17 ]} Las posibles modificaciones incluyen el dopaje del TiO₂ _con metales, nitrógeno o carbono.