martes, 1 de noviembre de 2011

AGUAS RADIACTIVAS III. TERMALISMO Y BALNEARIOS

El Ra-226 es uno de los radioisótopos de mayor radiotoxicidad. Por ello, un buen número de estudios se han dedicado a medir la actividad específica de este radionúclido en aguas destinadas al consumo humano. De hecho, la Organización Mundial de la Salud recomienda no consumir aguas con una concentración en Ra-226 superior a 1 Bq l-

En la literatura científica se encuentran estudios sobre las implicaciones radiológicas del consumo habitual de aguas enriquecidas en isótopos de Ra. Por ejemplo, la ingestión de aguas minerales de la región de Aguas da Prata (Brasil), con concentraciones de Ra-226 entre 2.2 y 1800 mBq l-1 medidas por alfa total, han permitido estimar en un 2% el incremento en patologías cancerígenas sobre el nivel medio. En Croacia es habitual el consumo de aguas minerales con altos contenidos en Ra-226 (entre 100 y 3200 mBq l-1) en determinados balnearios. Se ha estimado así que un tratamiento en estos balnearios que consistiera en el consumo diario de 1 l de agua por un período de 1 mes puede suponer dosis equivalentes del orden de 2 μSv, mientras que el consumo diario de 1 l de agua de grifo supone una dosis equivalente anual de 0.2 μSv. En España se han medido niveles de Ra-226 en aguas de balnearios y aguas embotelladas. Así, aguas de balnearios andaluces muestran actividades específicas de Ra-226 entre 10 mBq l-1 y 1400 mBq l-1, mientras que el análisis por centelleo líquido de aguas embotelladas comercializadas en España muestra niveles entre 1 mBq l-1 y 270 mBq l-1.

En noviembre de 1895 Conrad Roentgen descubre los rayos X y en 1986 efectúa la primera radiografía con humanos, divulgándose la noticia del descubrimiento con mucha rapidez en el mundo.

En 1895 Antoine Henri Becquerel descubrió que ciertas sales de uranio emitían espontáneamente rayos de naturaleza desconocida al observar que velaban las placas fotográficas envueltas en papel negro. Era la primera observación del fenómeno al que Marie bautizó después con el nombre de radiactividad.
Cuando Becquerel publicó los resultados de sus investigaciones sobre los rayos provenientes del uranio, los esposos Pierre y Marie Curie, sus amigos, se interesaron mucho en este fenómeno tan misterioso. A mediados de 1898 los Curie identificaron primero al polonio y finalmente llegaron a encontrar el elemento desconocido que era la fuente de las radiaciones misteriosas, y lo denominaron radio, abriendo un abanico de posibilidades a la industria, que lo convirtió en una especie de remedio milagroso para todo.

En 1903, el descubridor del electrón, J.J. Thompson, escribió una carta a Nature en la cual describió otro descubrimiento notable suyo: la presencia de radiactividad en aguas de manantiales. Esto condujo al descubrimiento por parte de otros de que las aguas de muchas de las "fuentes de salud" más famosas del mundo eran también radiactivas.
A continuación, llegaron las primeras aplicaciones de los rayos X y el tratamiento de tumores. Mucha gente  pronto quedo fascinado por las aplicaciones de productos radiactivos utilizados en dosis bajas. A pesar de que se terminaron conociendo los efectos nocivos, la palabra “radio” quedó instalada como algo prestigioso en la mente de muchos consumidores durante décadas. Así, el término "Radium" pasó a utilizarse en algunos productos, como sucede con las palabras Platinum o Gold, aunque éstos no contuvieran el más mínimo resto de radioactividad. Semejantes beneficios para la salud, no podían quedar solo para los seres humanos, así que pronto aparecieron los productos destinados a animales y plantas. El Provaradior, comercializado en Francia, se anunciaba como un poderoso revitalizante para los animales de granja, que crecerían más y más fuertes gracias a los efectos del radio.

La comercialización de jarras para radiar el agua fue una de las prácticas más comunes durante los años 20 y 30. Entre todos los sistemas, el Revigator fue el que alcanzó mayor popularidad: “Rellena la jarra de agua cada noche” - decían los reclamos - “Bebe tranquilamente cada vez que tengas sed hasta completar una media de seis vasos al día”. “Los millones de rayos penetran en el agua para formar ese saludable elemento que es la RADIO-ACTIVIDAD. Al día siguiente, toda la familia dispone de seis litros de auténtica y saludable agua radioactiva”. El famoso Radithor, comercializado entre 1918 y 1928, contenía una pequeña cantidad de agua destilada a la que se añadía una porción de radio. Se anunciaba como una “fuente de luz permanente” capaz de curar el cáncer, las enfermedades mentales y hasta la impotencia.

De la noche a la mañana, el mercado se llenó de bebedizos y cremas que contenían radio y que prometían aumentar la virilidad o impedir la caída del pelo. Durante años, se utilizó el producto de manera inconsciente hasta que empezaron a morir los primeros afectados: trabajadores que morían en apenas unos meses o víctimas de sus propias invenciones a las que el cáncer devoraba los huesos. Para algunos, el descubrimiento de los letales efectos del radio llegó demasiado tarde.

Se planteo que la exposición a gas radón (Rn) podría curar la artrosis, enfermedades pulmonares, enfermedades autoinmunes y muchas otras. Todo empezó por la simple observación de una mujer que tuvo que visitar una mina y por los comentarios de algunos mineros. Así a principios del siglo XX se popularizaron este tipo de terapias que consisten en permanecer algún tiempo en minas de minerales radioactivos, beber agua con contenido radioactivo o mantener rocas radioactivas en contacto con el cuerpo. Pese a no haberse encontrado ninguna prueba de estas propiedades curativas y sí evidencias que apuntan a efectos perjudiciales.
Conviene aclarar en lo que respecta al Radón que el isótopo más estable es el Rn-222, también el más abundante, con una vida media de 3,8 días y producto de la desintegración del Ra-226 Las partículas alfa emitidas por el Radón son altamente ionizantes, pero tienen poco poder de penetración, tan poco que no son capaces de atravesar la piel o una simple mascarilla. Sin embargo, al ser inhalado el gas, ese escaso poder de penetración se convierte en un problema, ya que las partículas no consiguen escapar del organismo, y depositan toda su energía en él, pudiendo ocasionar lesiones o patologías de muy diversa gravedad según sea la cantidad de radón inhalado. Se ha documentado la aparición de cáncer de pulmón a causa de la exposición prolongada a este elemento[. ]La OMS calcula que el radón causa entre 3% y 14% de los cánceres pulmonares, lo que depende de la concentración promedio de este gas en cada país.
También debo precisar ]que las aguas se dividen según su mineralización en: Aguas de fuerte mineralización, suelen ser frías y no gaseosas; las de mediana mineralización sonde características similares a las anteriores y las débiles que suelen ser termales iso o hipotónicas y de elevada radiactividad. El origen geológico son aguas profundas y se relacionan con antiguos filones metálicos y fallas volcánicas. Las aguas radiactivas son aguas en cuyo contenido se encuentra radón de origen natural. Este tipo de agua utilizada en termalismo se toma en baños o inhalaciones.
El baño en agua radioactiva se aplicó en las minas de uranio de Boulder, Montana o en los balnearios de Hot Springs, Arkansas, ambos de Estados Unidos y también desde 1906 en Jáchymov en la república Checa y en el Bad Gastein, Austria. También agua de manantial rica en radio se ha usado en el tradicional onsen japonés en Misasa (así es como llaman a los balnearios) entre otras, y aún atraen a personas buscando Tottori (que es un lugar paradisiaco del Japón rural:. Se utiliza igualmente bebida en Bad Brambach, Alemania. Y como terapia inhalada en Gasteiner-Heilstollen, Austria. Polonia incluso tiene estudios científicos.

Desde hace muchos años existen balnearios de aguas termales que publicitaban su excelencia anunciando que el agua de esos lugares era radiactiva. Antiguas botellas de agua mineral en España llevaban la etiqueta “Agua radiactiva”. En los años treinta, cuarenta, hasta los años cincuenta, que una cosa fuera radiactiva significaba que era muy buena, muy moderna, que era el último grito de la ciencia. En Europa hay un balneario de este tipo, que se llama Badgastein, en los Alpes austriacos, a unos 1.500 metros de altura, en una de las zonas más radiactivas de Europa e incluso del planeta. En el siglo XIX se convirtió en un centro vacacional de moda y el turismo masivo fue empujado por el abrir de la estación del ferrocarril de Tauern en 1905. En este balneario se llevó a cabo un estudio poniendo dosímetros durante un año a los empleados que trabajaban allí. Se trataba de ver si estos trabajadores quedaban afectados por su trabajo en una localidad de alta radiactividad natural, estrictamente natural. Lo que se comprobó sin ningún género de duda es que en las personas que trabajaban allí –dependiendo también, claro está, de la función que desempeñaban, del lugar donde ejercían su trabajo: oficinas, limpieza, cocina, fisioterapia, personas que estaban más tiempo en las zonas de aguas termales- se producía una incidencia de rupturas cromosómicas [2] mucho más alta que en las personas que estaban menos expuestas a la radiación o que vivían en otras zonas de montaña similares pero con bajo nivel de radiactividad.

Tanto en Estados Unidos como en Europa hay muchos “radón spas,” donde la gente se sienta durante minutos u horas en una atmósfera cargada de radón con la creencia de que bajas dosis de radiación les revitalizaran y rejuvenecerán. Aunque la comunidad científica lo rechaza hay una teoría que defiende esos beneficios de la radiación a dosis bajas que se llama hormesis. El principio de hormesis en el caso de radiación ionizante es controvertido. Según este principio, y en contra de las recomendaciones utilizadas en la actualidad —más conservadoras—, las exposiciones a las radiaciones ionizantes en bajas dosis resultarían ser beneficiosas para la salud, lo que entra en conflicto con los estándares internacionales de protección radiológica en los que se defiende que no hay ningún umbral de seguridad para la exposición a la radiación y que esta debe limitarse hasta ser “tan baja como sea razonablemente posible” (ALARA).

La exposición de los trabajadores al radón inhalado en establecimientos cuya atmosfera interior pueden liberarse grande cantidades de Radón, en particular en centrales abastecedoras de agua, balnearios y piscinas, debería controlarse con arreglo al título VII de la Directiva 96/29/EURATOM y las recomendaciones relativas a la aplicación de dicho titulo que  en 1977 realizo el grupo de expertos contemplado en el articulo 31 del Tratado de Euratom (Radiation Protection 88)

Propuesta de Directiva del Consejo por la que se establecen requisitos para la protección sanitaria de la población con respecto a las sustancias radiactivas en las aguas  destinadas al consumo humano Bruselas, 28 de septiembre de 2011

Existen muy pocas investigaciones independientes epidemiológicas, radiobiológicas. Con lo cual, a la hora de mirar la literatura científica contrastada en revistas especializadas, nos encontramos con que hay muy pocos estudios significativos y además, con un parón claro y comprobable en los años ochenta.


- Pohl-Rüling, J. Final Report: Chromosome aberrations in the peripheral blood lymphocytes of people living or working in areas of higher atmospheric concentration of natural radon 222 and its daughters in Badgastein, Austria. Organismo Internacional de Energía Atómica, Contrato No 791/RB, 791/R, lRB, 791/R2/RB. Organización Internacional de Energía Atómica, Salzburgo, 1973.
- Pohl-Riiling, J. y Scherminzky, F. The natural radiation environment of Badgastein, Austria, and its biological effects. Trabajo presentado en el simposio The Natural Radiation Envirònment II, Houston, Texas, 7-11 de agosto de 1972.
- International Commission on Radiological Protection. Protection against Rn222 at home and at work ICRP 65. New York: Pergamon Press; 1994.
- Soto J, et al. Study of the ocurrence of Rn222 in drinking water in Spain. Healt Phys. 1995;69:961-5.
- J.Soto, P.L. Fernández, L.S. Quindós, Gómez, C. Ródenas . Estimación de dosis de radiación en balnearios radiactivos. Actas Medical Physics, vol. 93, nº 2, pp.477-480, (1993).
- Comunicación a las jornadas de la Asociacion de profesores de Universidad de radiología y Medicina física, celebradas los  días 8,9 y 10 de abril de 1999 Publicado el por admin
- Soto Torres, J ”Radon en regiones de alto nivel de radiación natural y en balnearios radiactivos”

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viernes, 21 de octubre de 2011

AGUAS RADIACTIVAS II. AGUAS NATURALES Y RADIACTIVIDAD

La exposición natural del hombre a las radiaciones ionizantes se debe a tres fuentes fundamentales:
• Radiaciones cósmicas (Tritio, Carbono-14, Berilio-10...)
• Materiales resultantes de la cadena de desintegración natural del Uranio y el Torio
• Radionúclidos presentes en la corteza terrestre, las rocas, los suelos…

Esta última está determinada por la presencia de radionúclidos naturales en la tierra, el aire, los alimentos y el agua. De los cuatro isótopos del Radio que se derivan de las series de la desintegración radiactiva del Uranio, Actinio y Torio, el Ra-226 producto de la desintegración del U-238 es el más importante, esto se debe a su vida media larga 1622 años y a la abundancia del U-238 en la naturaleza. Tanto el Ra-226 como su producto de desintegración Rn-222 poseen riesgos radiológicos, el Ra-226 por su capacidad de sustituir al Calcio en la estructura ósea. Una vez fijado en esta, su largo período de semidesintegración hace que se produzca una irradiación continuada a la médula ósea. Por ello, los límites establecidos se han calculado para conseguir que esta irradiación no supere un determinado valor, suponiendo un determinado consumo promedio de agua diario durante cierto número de años. El Rn-222 por su retención en los pulmones en la forma de Pb-210 y Po-210. El Ra-226 es una de las principales fuentes de radiactividad en alimentos y el agua.
  
Todas las aguas naturales tienen un cierto nivel de radiactividad. La  legislación española sobre potabilidad de aguas de consumo público incluye un apartado dedicado a establecer los requisitos que deben cumplir las aguas en cuanto a su radiactividad y los métodos que deben usarse para medir ésta. Al depender la radiactividad del agua del contenido radiactivo de los suelos y rocas por los que fluye, cabe esperar niveles elevados en aquellas zonas caracterizadas por su alto nivel de radiación natural.

En las aguas minero-medicinales se observa que, por lo general, los valores de esta radiactividad son superiores en las aguas termales. Si bien hasta el momento no se han fijado límites legales, es costumbre tomar como referencia los niveles guía establecidos para las aguas de consumo público en la Directiva 98/83/CE, recogidos en el Real Decreto 140/2003, actualmente vigente, esto es: 0,1 Bq/L para la radiactividad alfa total y 1,0 Bq/L para la radiactividad beta total. No se trata de concentración máxima admisible, de tal manera que la Directiva 98/83 que ni siquiera cita niveles guía, sino que deja a las autoridades competentes de cada Estado la periodicidad y el tipo de control que consideren adecuado a cada situación.

Sin embargo, es evidente que es del mayor interés conocer cuales son los radioisótopos responsables de la radiactividad de cada una de las aguas minero-medicinales, especialmente en los casos en que la radiactividad alfa global y/o la beta global sobrepasen aquellos niveles guía en su día considerados.

Por otra parte, la Directiva Europea 96/29/EURATOM (de 13 de mayo de 1996) establece las “Normas Básicas relativas a la protección sanitaria de los trabajadores y de la población contra los riesgos que resultan de las radiaciones ionizantes”. En sus Artículos 40 y 41 se refiere a las actividades laborales y, en su caso, al público que esté expuesto a la inhalación de descendientes del radón y cita textualmente entre otros y como ejemplo “los establecimientos termales”. Esta Directiva traspuesta a la legislación española por el Real Decreto 783/2001, de 6 de julio que aprueba el Reglamento sobre protección sanitaria contra radiaciones ionizantes es un aviso de lo necesario que es conocer y controlar este tema en los balnearios y estaciones termales para –en su caso- tomar las necesarias acciones protectoras o correctoras

En las exigencias de análisis radiológicos determinadas en la Directiva europea (98/83 CE) y en el Real Decreto 140/2003, basados en el informe de la OMS (www.who.int) se definen la Dosis Indicativa Total DIT máxima en 0,1 mSv por año (excluidos el Tritio, el Potasio 40, el Radón y sus descendientes). De la misma forma que una actividad en Tritio inferior a 100 Bq/L se considera aceptable.

De acuerdo con la Directiva europea (98/83 CE) y el Real Decreto 140/2003, todas las aguas destinadas al consumo humano que estén distribuidas por las redes privadas y públicas o utilizadas por la industria agroalimentaria deben determinar la actividad en tritio y a la evaluación anual de su Dosis Indicativa Total (DTI).

La Dosis Indicativa Total (DIT) se determina para un consumo diario de 2 litros de agua para un adulto. De realización compleja, la determinación  de la DIT se solicita únicamente cuando la medida de las actividades alfa total y beta total superan, como he indicado anteriormente los siguientes límites máximos:

- 0,1 Bq/L para la actividad Alfa Total
- 1,0 Bq/L para la actividad Beta Resto

El respeto de estos límites máximos implica una  DIT inferior a 0,1 mSv/año. Si se supera uno de los límites máximos, sería necesario proceder a realizar un conjunto de análisis complementarios específicos para determinar la DIT.

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domingo, 16 de octubre de 2011

AGUAS RADIACTIVAS I. UNIDADES Y SU SIGNIFICACIÓN

Es importante tener idea clara sobre las unidades de medida que empleamos para medir la actividad radioactiva y la exposición a las radiaciones:

El becquerel o becquerelio (símbolo Bq) es una unidad derivada del Sistema Internacional de Unidades que mide la actividad radiactiva. Equivale a una desintegración nuclear por segundo.

El Gray y el Rad. El Gray (Gy), que es la unidad aceptada por el Sistema Internacional de dosis absorbida, corresponde a la absorción de 1 J de energía por Kilogramo de tejido.

El Rad (Radiation Absorbed Dose; Dosis de Radiación Absorbida) corresponde a la absorción de 1 x 10-2 J de energía por kilogramo de tejido. Por lo tanto 1Gy =100 Rad.

La unidad en el Sistema Internacional de la dosificación efectiva es el Sievert (Sv). Esta unidad da un valor numérico con el que se pueden cuantificar los efectos estocásticos (probabilísticos) producidos por las radiaciones ionizantes. Es decir los efectos absolutamente aleatorios, que pueden aparecer, pero no lo hacen necesariamente. Lo más que se puede decir es que existe una cierta probabilidad de que estos efectos se produzcan. Los ejemplos más conocidos son el desarrollo de cáncer y las mutaciones genéticas.; pudiendo aparecer tras la exposición a pequeñas dosis de radiación ionizante. No necesitan una dosis umbral determinada para producirse; si bien al aumentar la dosis aumenta la probabilidad de aparición de estos efectos, que suelen ser de tipo tardío.

No todas las formas de radiación tienen la misma eficiencia para dañar material biológico. Por ejemplo; un Rad de radiación alfa puede producir más daño que un Rad de radiación beta. Para hacer la corrección a estas diferencias de dosis de radiación, se multiplica por un valor que mide el daño biológico relativo causado por la radiación. El factor de multiplicación se conoce como Efectividad Biológica Relativa de radiación y se abrevia como RBE (Relative Biological Effectiviness). La RBE es aproximadamente 1 para la radiaciones gamma y beta y aproximadamente 10 para la radiación alfa. El valor exacto de la RBE varía con la rapidez de la dosis, la dosis total y el tejido afectado.
El producto de la dosis de radiación en Rads por la RBE de la radiación proporciona la dosis efectiva en unidades de REM (Roentgen Equivalent for Men; Equivalente en Roentgen para el Hombre).
Nro de Rems = (Nro de Rads)(RBE)
Una exposición de 600 Rem es mortal para casi cualquier ser humano. Para poner este número en perspectiva; una radiografía dental típica significa una exposición de aproximadamente 0.5 mRem. La exposición medida para una persona en un año, debida a las fuentes naturales (llamada Radiación de Fondo) es de aproximadamente 360 mRem.


El concepto inherente a esta unidad de medida es que la misma cantidad de energía absorbida puede determinar efectos muy distintos según el tipo de radiación y el órgano expuesto. De este modo, el factor de ponderación de los fotones gamma y de los electrones es uno, mientras que el de los protones es cinco y el de las partículas alfa es cuatro veces más, es de 20. El Sv es una magnitud muy elevada y usualmente se utilizan submúltiplos: el milisievert (mSv: milésima de sievert) y microsievert (mSv: millonésima de sievert). Conviene tener presente ya que frecuentemente se malinterpreta que, por definición, el sievert sólo puede utilizarse para evaluar el riesgo de aparición de efectos estocásticos en los seres humanos pero no, en cambio, sobre la fauna y la flora.

sábado, 1 de octubre de 2011

AGUA SECA

No se trata de algo novedoso, ya que en el año 1968 fue creada una sustancia llamada agua seca que se estuvo ensayando en la industria cosmética, pero el Doctor Ben Carter de la Universidad de Liverpool  presentó en noviembre de 2010 en la revista de la  Society of Chemical Industry un interesante estudio donde investiga a fondo las propiedades de este singular compuesto y extrae interesantes conclusiones presentadas en Boston, Estados Unidos con ocasión de celebrarse la reunión anual de la Sociedad Americana de Química.
El agua seca en realidad está formada por partículas que contienen una gota de agua minúscula, rodeada de una nanocapa de sílice hidrófobo.

Lo interesante que aporta Carter en su estudio sobre el agua seca es que posee la propiedad de absorber y retener hasta tres veces más dióxido de carbono que el agua ordinaria. Además, han encontrado otra propiedad de este compuesto que consiste en su capacidad de ser usada como depósito de gases. Estas características del agua seca la postulan como un agente beneficioso para la lucha contra el calentamiento global además de proporcionar una vía interesante en la investigación del almacenamiento de gases. Se ha comprobado que 1 litro de metano se puede contener en apenas 6 gramos de agua seca, a temperaturas no excesivamente bajas. Lo mismo sucede con los líquidos, por tanto, este material se podría convertir en un excelente medio de transporte para productos peligrosos o potencialmente nocivos, puesto que mientras se encuentran almacenados en el agua seca, son inofensivos.
"Descubrimos también que podemos generar reacciones químicas dentro de estas partículas sin necesidad de agitarlas, con lo cual podemos lograr una reacción química mucho más eficiente desde el punto de vista energético", dice Carter. Y por último, pero no por eso menos importante, los científicos creen que puede emplearse para transportar materiales peligrosos, como el ácido, de manera más segura.
"Podemos transformar el ácido líquido en ácido seco y minimizar los riesgos que generaría una pérdida", comenta el investigador. "Siempre que sean sustancias químicas con una base de agua, se pueden transformar en sustancias secas".
Además, el agua seca muestra una última propiedad que importante para la industria por la energía que ahorra. Se trata de su capacidad de actuar como catalizador en la reacción entre el hidrógeno y el ácido maleico. Lo que se obtiene es ácido succínico, un producto muy usado en la industria alimentaria y farmacéutica. Normalmente hay que mezclar y agitar los precursores del succínico para que se produzca la reacción pero, con el agua seca, eso no sería necesario, con el consiguiente ahorro energético y económico que se consigue a gran escala.
Estas características del agua seca la postulan como un agente beneficioso para la lucha contra el calentamiento global además de proporcionar una vía interesante en la investigación del almacenamiento de gases. Se ha comprobado que 1 litro de metano se puede contener en apenas 6 gramos de agua seca, a temperaturas no excesivamente bajas. Lo mismo sucede con los líquidos, por tanto, este material se podría convertir en un excelente medio de transporte para productos peligrosos o potencialmente nocivos, puesto que mientras se encuentran almacenados en el agua seca, son inofensivos.

domingo, 25 de septiembre de 2011

NANOTECNOLOGÍA Y AGUA IV. DESALINIZACIÓN

La revista “National Geographic” en uno de sus artículos trataba de tres tecnologías, al margen de la evaporación, que prometían reducir los requerimientos energéticos de la desalinización.

Estos eran:

OSMÓSIS FORZADA
NANOTECNOLOGIA
BIOMIMÉTICA

Con el sistema de la EVAPORACIÓN utilizamos calor para evaporar el agua y condensar el vapor. Este tipo de plantas se suele construir cerca de centrales eléctricas para aprovechar el calor procedente de los generadores. Sin embargo, cuando no es posible aprovechar esta fuente, se suelen instalar plantas de desalinización por ósmosis inversa.

De las tres tecnologías mencionadas en National Geographic, excepto en la osmosis forzada, en los otros dos enfoques se rediseñan las propias membranas; en uno, los poros son nanotubos de carbono; en el otro, se usan las mismas proteínas que conducen las moléculas de agua a través de las membranas de las células vivas. Ninguna de las tres opciones será la solución a todos los problemas de agua del mundo ya que ninguna de las tres parecen hoy lo bastante simples y baratas.

La ósmosis forzada es un proceso que tiene un fin similar al de la ósmosis inversa, pero no utiliza presión sino sales adecuadas para proporcionar la presión osmótica suficiente para el proceso. La ósmosis forzada, lleva el agua a través de la membrana porosa hacia una solución que contiene aún más sal que el agua de mar, pero un tipo de sal que se evapora fácilmente como bicarbonato amónico (NH4HCO3) e hidróxido amónico (NH4OH) o que no afectan negativamente al producto resultante de potabilizar el agua como el agua glucosada. Aparte del ahorro energético, la ósmosis forzada puede ser mas eficaz porque puede llegar a dejar sal solida como subproducto en vez de salmuera.


Una aplicación, a pequeña escala, la utiliza la Nasa para reciclar la orina de los astronautas mediante una pequeña bolsa, similar a la de las transfusiones de sangre. La presión osmótica hace que las moléculas de agua se filtren para luego mezclarse con la solución de azúcar concentrada, sin necesidad de electricidad, calor o agitación. El proceso requiere entre cuatro y seis horas y queda listo para beber
Forward Osmosis Bag (FOB)
Los otros dos enfoques nanotubo de carbono y la biomimetica rediseñan la propia membrana; en uno, los poros son nanotubos de carbono; en el otro, se usan las mismas proteínas que conducen las moléculas de agua a través de las membranas de las células vivas. El primero utiliza una carga eléctrica en la boca del nanotubo y repele los iones de sal con carga positiva, mientras que las moléculas de agua sin carga se filtran con poca fricción, reduciendo la presión de bombeo. En la biomimética pasan por canales hechos de acuaporinas, proteinas que conducen eficazmente el agua hacia el interior y exterior de las células vivas y una carga eléctrica repele la sal.

A pesar del potencial de la nanotecnología para fabricar membranas que filtran agua de mar, los autores advierten que hay que seguir investigando antes de implantar esta tecnología. Por ejemplo, estudiarán si con nanotubos fabricados con otros materiales diferentes al carbono obtienen los mismos resultados.

Asimismo, aún habrá que determinar si este material entraña algún riesgo para la salud (en el caso, por ejemplo, de que los nanotubos de carbono se desprendieran de la membrana y cayeran al agua potable).

Los investigadores barajan también la posibilidad de que las membranas fabricadas con nanotubos puedan ser útiles para extraer oro, uranio y otros elementos del agua del mar. Para averiguarlo, los ingenieros tendrán que seguir realizando simulaciones moleculares y experimentos para descubrir el abanico de posibilidades que ofrece esta tecnología

Los nanocatalizadores y las nanopartículas magnéticas son otros ejemplos de cómo la nanotecnología podría transformar el agua muy contaminada en agua apta para consumo, saneamiento y riego. Los nanocatalizadores deben sus mejores propiedades catalíticas a su diminuto tamaño o al hecho de ser modificados a escala nanométrica. Pueden degradar los contaminantes químicamente, incluso aquellos que no se pueden tratar con las tecnologías actuales o cuyo tratamiento sería demasiado costoso, sin tener que desplazarlos de un lugar a otro. Investigadores del Instituto Indio de Ciencias de Bangalore han utilizado el nano dióxido de titanio precisamente para este fin (véase 'Tratamiento nano del agua exige ingeniería innovadora').

Las nanopartículas magnéticas ocupan grandes superficies en proporción a su volumen y se unen con facilidad a sustancias químicas. En las aplicaciones destinadas al tratamiento de aguas, pueden utilizarse para unirse a contaminantes como el arsénico o el petróleo y luego ser eliminadas mediante un imán. Varias empresas comercializan este tipo de tecnologías y los científicos publican a menudo nuevos descubrimientos en el área.

Por ejemplo, científicos de la Universidad de Rice, de Estados Unidos, emplean "nano óxido" para eliminar el arsénico del agua potable. La amplia superficie del nano óxido permite capturar cien veces más arsénico que si se emplea óxido manipulado a una escala mayor. El equipo prevé que una dosis de entre 200 y 500 miligramos de nano óxido alcanza para tratar un litro de agua. Desarrolla actualmente una manera de crear nano óxido a partir de artículos baratos de las casas, con lo que reducirían de forma considerable los costos de producción, convirtiéndolo en producto viable para distintas comunidades del mundo en desarrollo.

Además de servir para tratar el agua, la nanotecnología es capaz de detectar contaminantes transportados por ella. Los investigadores desarrollan nuevas tecnologías de sensores que combinan la micro y la nanofabricación para la creación de sensores pequeños, portátiles y ultraprecisos, que pueden detectar en el agua células individuales de determinadas sustancias químicas y bioquímicas. Varios consorcios de investigación están realizando ensayos de campo con estos dispositivos y algunos esperan comercializarlos pronto. Por ejemplo, un equipo de la Universidad del Estado de Pensilvania, en los Estados Unidos, ha desarrollado una forma de detectar arsénico en el agua a través de nanoalambres colocados en un chip de silicio.

Algunos investigadores exigen más investigación sobre los posibles riesgos ambientales y para la salud del uso de la nanotecnología para el tratamiento de aguas. Por ejemplo, preocupa que la mayor reactividad de las nanopartículas las vuelva más tóxicas. Su reducido tamaño también implicaría que son difíciles de retener, y que se podrían dispersar más fácilmente en el aire y dañar la vida acuática. Todavía se desconocen todos los efectos de la exposición a los nanomateriales, desde su manipulación en plantas de tratamiento hasta su consumo a través del agua tratada.

Pero se puede hacer una distinción, en términos de evaluación del riesgo, entre nanopartículas activas y pasivas. Las pasivas, como las que se usan para revestir un material, no presentarían ni más ni menos riesgo que otros procesos de fabricación. En cambio, las activas, que pueden dispersarse en el ambiente, implicarían riesgos asociados a su control y contención.

Resumiendo, ¿podrán las nanotecnologías resolver realmente los problemas del agua de los países en desarrollo? Hay señales positivas de que así será. En primer lugar, los profesionales y científicos que se ocupan del tema del agua involucran cada vez más a las comunidades locales en diálogos efectivos para la comprensión de los problemas y las oportunidades, derivados del uso de la nanotecnología aplicada al mejoramiento del agua. En segundo lugar, puesto que la comercialización de la nanotecnología aún está dando sus primeros pasos, podemos esperar que el diálogo entre los investigadores, las comunidades y la industria aliente a científicos y empresarios a desarrollar modelos de negocio adecuados para el aprovechamiento de sus invenciones.

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NANOTECNOLOGÍA Y AGUA III. OSMOSIS INVERSA

La osmosis inversa es uno de los métodos mas utilizados para la desalinización del agua, y a diferencia de la evaporación, implica un menor consumo de energía por no llevar aparejado un cambio de fase del agua. El proceso se basa en la aplicación de alta presión al agua para conseguir que esta pase de una solución hipertónica (el agua de mar, con alta concentración de sales) a una hipotónica (mas diluida, con menor concentración de sales) a través de una membrana semipermeable. Dado que la presión osmótica del agua de mar es de 30 atm, se necesita una presión mayor a este valor para invertir el flujo natural del líquido (de la disolución menos concentrada a la más concentrada para lograr una solución isotónica). La función de la membrana es la de evitar el paso de impurezas disueltas y al mismo tiempo ser permeable al agua. Bombear agua de mar hasta presiones de más de 70 kilogramos-fuerza por centímetro cuadrado requiere menos energía que llevarla a ebullición, pero sigue siendo costoso.
No obstante la nueva membrana, desarrollada por el profesor de ingeniería civil y medioambiental de la universidad de California Eric Hoek (hoek@seas.ucla.edu) y su equipo de investigación:

University of California, Los Angeles
Department of Civil & Environmental Engineering
PO Box 951593
Los Angeles, CA 90095
UNITED STATES

utilizan una  matriz de polímeros y nanopartículas entrecruzados, diseñada para atraer el agua y rechazar casi todos los contaminantes. Estas nuevas membranas se estructuran a escala nanométrica para crear túneles moleculares a través de los cuales el agua fluye más fácilmente que los contaminantes. Las nanopartículas están diseñadas para atraer el agua y son muy porosas, impregnándose de agua como una esponja, mientras rechazan las sales disueltas y otras impurezas. Las nanopartículas empotradas en esta nueva membrana también rechazan materias orgánicas y bacterias que con el tiempo tienden a obstruir las membranas convencionales.

Con estas mejoras, se necesita menos energía para bombear el agua a través de las membranas. Como repelen las partículas que de otro modo se pegarían a la superficie, las nuevas membranas se deterioran más lentamente que las convencionales. El resultado es un proceso de purificación del agua que es tan eficaz como los métodos actuales, pero utiliza la energía con mayor eficiencia y puede resultar mucho menos costoso. Las pruebas iníciales sugieren que las nuevas membranas tienen el doble de productividad (consumen un 50 por ciento menos de energía) reduciendo el coste total del agua desalinizada en un 25 por ciento.

En cualquiera de los casos estos métodos de desalinización inevitablemente dejan un residuo de salmuera concentrado que puede dañar el medio ambiente e incluso el mismo suministro de agua. Las descargas de salmuera son especialmente difíciles de desechar en plantas de desalinización ubicadas tierra adentro. Además, la salmuera está incrementando el nivel de salinidad en las proximidades de las costas. Mientras más salada el agua, más caro es desalinizarla.

Próximamente haré referencia a la conocida revista “National Geographic” que en uno de sus artículos trataba de tres tecnologías, al margen de la evaporación, que prometen reducir los requerimientos energéticos de la desalinización.

jueves, 22 de septiembre de 2011

NANOTECNOLOGIA Y AGUA II. FILTROS

La escala nanométrica tiene que ver con las partes más diminutas de la materia que se pueden manipular. Operar a esa escala facilita el ensamblaje de átomos y moléculas según especificaciones exactas. Podríamos imaginar que la creación de nuevos materiales o la modificación de los existentes se parecen un poco al armado de estructuras con los bloques Lego. En aplicaciones como la filtración de aguas, esto significa que los materiales se pueden hacer a la medida o ajustar para que sean capaces de filtrar metales pesados y toxinas biológicas.

Los materiales trabajados a escala nanométrica suelen tener propiedades ópticas o eléctricas distintas a los mismos materiales manipulados a escala micro o macro. Por ejemplo, el nano óxido de titanio es un catalizador más eficaz que el óxido de titanio fabricado a escala micro, y puede ser utilizado en el tratamiento de aguas para degradar contaminantes orgánicos. Sin embargo, en otros casos, el reducido tamaño de las nanopartículas hace que el material sea más tóxico de lo normal.
 

Las nanotecnologías podrían paliar los problemas del agua si resuelven los retos técnicos que presenta la eliminación de contaminantes como bacterias, virus, arsénico, mercurio, pesticidas y sal.

Muchos investigadores e ingenieros sostienen que las nanotecnologías ofrecen alternativas más económicas, eficaces, eficientes y duraderas, en particular porque el uso de nanopartículas para el tratamiento de aguas permitirá que los procesos de fabricación contaminen menos en comparación con los métodos tradicionales y porque se necesita menos mano de obra, capital, tierra y energía.

Lo mismo se decía de las nuevas tecnologías en el pasado. Pero si fuéramos capaces de desarrollar nuevos modelos de negocio que nos permitieran emplear las nanotecnologías de forma sostenible para resolver problemas reales, identificados en conjunto con las comunidades locales, tendríamos razones para ser optimistas.

Una serie de dispositivos para el tratamiento de aguas que incorporan adelantos nanotecnológicos ya se encuentran en el mercado; otros están próximos a su lanzamiento o en proceso de desarrollo.

Las membranas de nanofiltración que mencionaba en mi anterior post ya son de uso habitual para la eliminación de sales disueltas y microcontaminantes, el ablandamiento del agua y la depuración de aguas residuales. Las membranas actúan como una barrera física, capturando partículas y microorganismos más grandes que sus poros, y rechazando sustancias de manera selectiva. Se espera que la nanotecnología siga mejorando esta tecnología con membranas y permita reducir los prohibitivos costos que tienen los procesos de desalinización.

Los investigadores desarrollan nuevos tipos de materiales nanoporosos, más eficaces que los filtros convencionales. Por ejemplo, un estudio realizado en Sudáfrica demostró que las membranas de nanofiltración pueden generar agua potable a partir de agua subterránea salobre. [6] Y un equipo de científicos de India y EE. UU. desarrolló filtros hechos con nanotubos de carbono que tienen el poder de eliminar bacterias y virus con más eficacia que las membranas de filtración convencionales.

Las arcillas de paligorskita (1) y las zeolitas (2) naturales también se utilizan en los nanofiltros. Se hallan en numerosos lugares del mundo y cuentan con poros de proporciones nanométricas naturales. Un estudio del uso de las membranas de arcilla de paligorskita para filtrar aguas residuales procedentes de una central lechera en Argelia demostró que son capaces de reducir el suero y otros materiales orgánicos presentes en las aguas residuales de manera eficaz y económica, volviéndola apta para consumo.

Las zeolitas también se fabrican, y las utilizamos para separar sustancias orgánicas perjudiciales del agua y eliminar iones de metales pesados. Investigadores de la Organización de Investigación Científica e Industrial de la Commonwealth, en Australia, han creado una arcilla sintética de bajo costo, llamada hidrotalcita (3), que atrae el arsénico y lo elimina del agua. Han ideado un novedoso empaque para el producto, destinado a comunidades de bajos ingresos: una “bolsita de té” que se puede sumergir en los dispositivos de agua domésticos durante unos 15 minutos, antes de beber el líquido. Y la compra de las bolsitas usadas por parte de las autoridades podría incentivar el reciclado y contribuir a la eliminación del arsénico concentrado.


(1) La arcilla paligorskita también es conocida como tierra de Florida o floridrín, aunque algunas veces se la llamó tierra de Fuller. El último apelativo se empleó también para denominar a las sepiolitas. Hasta hace poco la paligorskita ha sido llamada atapulgita. Es un mineral de silicato de magnesio-aluminio hidratado que tiene propiedades coloidales muy buenas, tales como: características de la dispersión, la resistencia a altas temperaturas, la sal y la resistencia a los álcalis, así como adsorbente y con capacidad de coloración.

(2) En 1757, el sueco Axel Fredrik Cronstedt descubrió además del níquel y el wolframio el mineral estilbita. Este perdió agua cuando se calentó con una llama de soplete, un proceso ahora conocido como "intumescencia". Él llamó a dicho mineral "zeolita", del griego "zeo", hervir y "lithos" piedra, ya que muchas zeolitas parecen hervir cuando se calientan. A partir de este descubrimiento las zeolitas se consideran como uno de los grupos de minerales más abundantes sobre la tierra. Los grupos principales son la Filipsita, Modernita, la faujasita, Analcita, Chabazita, Heulandita, Natrolita y la Laumontita. El intercambio iónico es una de las propiedades más importantes de las zeolitas debido a que por un lado se pueden llevar a cabo modificaciones para cambiar sus propiedades superficiales (afinidad por compuestos orgánicos) y por otro lado, esta propiedad de intercambio iónico es útil en más de un proceso industrial, doméstico, en la agricultura, en la acuacultura y en usos ambientales

(3) La hidrotalcita, [Mg6Al2(OH)16](CO3)•4H2O, pertenece a una clase de compuestos llamados arcillas aniónicas, o bien cuando son sintéticos, se les llama hidróxidos dobles laminares. La síntesis de materiales tipo hidrotalcita ha sido motivo de diversas monografías que han sido revisadas y en donde se puede consultar en detalle los métodos para su obtención.

RESUMEN EJECUTIVO PLAN DE AHORRO DE ENERGIA 2011-2020