La nueva tecnología utiliza la luz solar ordinaria para desinfectar el agua potable

May 01, 2023

Un polvo reciclable de bajo costo puede matar miles de bacterias transmitidas por el agua por segundo cuando se expone a la luz solar. Los científicos de Stanford y SLAC dicen que el desinfectante ultrarrápido podría ser un avance revolucionario para 2 mil millones de personas en todo el mundo sin acceso a agua potable segura.

Al menos 2 mil millones de personas en todo el mundo beben habitualmente agua contaminada con microbios que causan enfermedades.

El polvo desinfectante se agita en agua contaminada con bacterias (arriba a la izquierda). La mezcla se expone a la luz solar, que rápidamente mata todas las bacterias (arriba a la derecha). Un imán recoge el polvo metálico después de la desinfección (abajo a la derecha). Luego, el polvo se vuelve a cargar en otro vaso de precipitados con agua contaminada y se repite el proceso de desinfección (abajo a la izquierda). (Crédito de la imagen: Tong Wu/Universidad de Stanford)

Ahora, los científicos de la Universidad de Stanford y el Laboratorio Nacional de Aceleradores SLAC han inventado un polvo reciclable de bajo costo que mata miles de bacterias transmitidas por el agua por segundo cuando se expone a la luz solar ordinaria. El descubrimiento de este desinfectante ultrarrápido podría ser un avance significativo para casi el 30 por ciento de la población mundial sin acceso a agua potable segura, según el equipo de Stanford y SLAC. Sus resultados se publican en un estudio del 18 de mayo en Nature Water.

"Las enfermedades transmitidas por el agua son responsables de 2 millones de muertes al año, la mayoría en niños menores de 5 años", dijo el coautor principal del estudio, Tong Wu, ex becario postdoctoral de ciencia e ingeniería de materiales (MSE) en la Escuela de Ingeniería de Stanford. "Creemos que nuestra nueva tecnología facilitará cambios revolucionarios en la desinfección del agua e inspirará más innovaciones en este apasionante campo interdisciplinario".

Las tecnologías convencionales de tratamiento de agua incluyen productos químicos, que pueden producir subproductos tóxicos, y luz ultravioleta, que lleva un tiempo relativamente largo para desinfectar y requiere una fuente de electricidad.

El nuevo desinfectante desarrollado en Stanford es un polvo metálico inofensivo que funciona absorbiendo tanto los rayos UV como la luz visible de alta energía del sol. El polvo consiste en copos de tamaño nanométrico de óxido de aluminio, sulfuro de molibdeno, cobre y óxido de hierro.

"Solo usamos una pequeña cantidad de estos materiales", dijo el autor principal Yi Cui, profesor fundador de MSE y de Ciencia e Ingeniería Energética de Fortinet en la Escuela de Sostenibilidad Stanford Doerr. "Los materiales son de bajo costo y bastante abundantes. La innovación clave es que, cuando se sumergen en agua, todos funcionan juntos".

Después de absorber los fotones del sol, el catalizador de sulfuro de molibdeno/cobre actúa como una unión de semiconductor/metal, lo que permite que los fotones desprendan electrones. Los electrones liberados luego reaccionan con el agua circundante, generando peróxido de hidrógeno y radicales hidroxilo, una de las formas de oxígeno biológicamente más destructivas. Los productos químicos recién formados matan rápidamente a las bacterias al dañar gravemente sus membranas celulares.

Imágenes microscópicas de E. coli antes (izquierda) y después de la desinfección. La bacteria murió rápidamente después de que la luz del sol produjera sustancias químicas que causaron graves daños a las membranas de las células bacterianas, como se muestra en los círculos rojos. (Crédito de la imagen: Tong Wu/Universidad de Stanford)

Para el estudio, el equipo de Stanford y SLAC utilizó un vaso de precipitados de 200 mililitros [6,8 onzas] de agua a temperatura ambiente contaminada con aproximadamente 1 millón de bacterias E. coli por ml [0,03 onzas].

"Agitamos el polvo en el agua contaminada", dijo el coautor principal Bofei Liu, ex postdoctorado de MSE. "Luego llevamos a cabo la prueba de desinfección en el campus de Stanford con luz solar real, y en 60 segundos no se detectaron bacterias vivas".

Los nanoflakes en polvo pueden moverse rápidamente, hacer contacto físico con muchas bacterias y matarlas rápidamente, agregó.

Los subproductos químicos generados por la luz solar también se disipan rápidamente.

"La vida útil del peróxido de hidrógeno y los radicales hidroxi es muy corta", dijo Cui. "Si no encuentran inmediatamente bacterias para oxidar, los productos químicos se descomponen en agua y oxígeno y se desechan en cuestión de segundos. Así que puedes beber el agua de inmediato".

El polvo no tóxico también es reciclable. El óxido de hierro permite que los nanoflakes se eliminen del agua con un imán común. En el estudio, los investigadores utilizaron magnetismo para recolectar el mismo polvo 30 veces para tratar 30 muestras diferentes de agua contaminada.

"Para los excursionistas y mochileros, podría imaginar llevar una pequeña cantidad de polvo y un pequeño imán", dijo Cui. "Durante el día, pones el polvo en agua, lo agitas un poco bajo la luz del sol y en un minuto tienes agua potable. Usas el imán para sacar las partículas para su uso posterior".

El polvo también podría ser útil en las plantas de tratamiento de aguas residuales que actualmente usan lámparas UV para desinfectar el agua tratada, agregó.

"Durante el día, la planta puede usar la luz solar visible, que funcionaría mucho más rápido que la luz ultravioleta y probablemente ahorraría energía", dijo Cui. "Los nanoflakes son bastante fáciles de hacer y se pueden escalar rápidamente por tonelada".

El estudio se centró en la E. coli, que puede provocar enfermedades gastrointestinales graves e incluso poner en peligro la vida. La Agencia de Protección Ambiental de EE. UU. ha fijado en cero el nivel máximo de contaminación para E. coli en el agua potable. El equipo de Stanford y SLAC planea probar el nuevo polvo en otros patógenos transmitidos por el agua, incluidos virus, protozoos y parásitos que también causan enfermedades graves y la muerte.

Yi Cui es director del Precourt Institute for Energy y del Sustainability Accelerator en la Stanford Doerr School of Sustainability. También es profesor de ciencia de fotones en SLAC National Accelerator Laboratory. Bofei Liu ahora es científico investigador en EEnotech Inc., una empresa derivada de purificación de agua cofundada por Cui. Tong Wu está en la facultad de la Universidad de Tonji en Shanghái.

Otros coautores de Stanford son Harold Y. Hwang, profesor de física aplicada en la Facultad de Humanidades y Ciencias y profesor de ciencia de fotones en SLAC, y director del Instituto de Ciencias de Materiales y Energía de Stanford; ex postdoctorados en ingeniería Chong Liu, Jiayu Wan, Feifei Shi, Ankun Yang, Kai Liu y Zhiyi Lu; y los ex estudiantes de doctorado en ingeniería Jie Zhao y Allen Pei.

Los fondos para la investigación fueron proporcionados por el Departamento de Energía de los Estados Unidos.

Mark Golden, Instituto de Energía de Precourt: (650) 724-1629; [email protected]

Yi Cui, Ciencia e ingeniería de materiales: (650) 725-3230; [email protected]

Los investigadores de Stanford, Stephen Luby y Jenna Forsyth, descubrieron que el cromato de plomo, un agente colorante que se usa para hacer que la cúrcuma sea más amarilla, es la principal fuente de altos niveles de plomo en las mujeres embarazadas de Bangladesh.

Los profesores de Stanford Anthony Lising Antonio y Eujin Park exploran lo que está en juego en los desafíos a la consideración de la raza en las admisiones universitarias.

Stephen Luby se encuentra entre un número creciente de miembros de la comunidad de Stanford Medicine que se esfuerzan por mejorar la salud mundial durante el colapso ambiental.