DOI: https://doi.org/10.60647/bfcy-sx82
Palabras clave: Antropoceno, Fotocatálisis, TiO2/ZnO
Resumen:
La cuenca del río Atoyac en México es uno de los grandes ejemplos del impacto de la era del Antropoceno, presentando una crisis social y ambiental tras varias décadas de contaminación. La pésima calidad del agua del río se debe a la presencia de una mezcla diversa de contaminantes como metales pesados, pesticidas, patógenos y compuestos orgánicos. Estos factores constituyen un riesgo grave para la salud de las comunidades aledañas y el ecosistema de la zona. Frente a este difícil escenario, exploramos el fenómeno de la fotocatálisis y cómo los fotocatalizadores son una tecnología que puede solucionar esta crisis a una escala pequeña. Se describe cómo los fotocatalizadores como el Dióxido de Titanio (TiO2), activados por la luz solar, son capaces de degradar contaminantes del agua, haciéndola útil para diversas actividades humanas. Este trabajo presenta un protocolo accesible para el uso de un fotocatalizador de TiO2/ZnO, demostrando la viabilidad práctica para la desinfección y descontaminación a pequeña escala.
Introducción
El legado más tangible de la Revolución Industrial ha sido la crisis ambiental global, que ha consagrado a la actividad humana como la fuerza geológica dominante de la era del Antropoceno. Desde el inicio del siglo XXI la comunidad científica define como el Antropoceno a una nueva época geológica, una dominada por el impacto de la actividad humana en los sistemas planetarios. Estos impactos incluyen el cambio climático antropogénico, la pérdida de biodiversidad que conduce a una extinción masiva y la existencia de los microplásticos en los ecosistemas terrestres y marinos. (Chua & Fair, 2023).
Una de las estructuras naturales cruciales para los diversos ecosistemas que existen y también para las actividades económicas humanas de nivel primario son los ríos. El abuso de industrias de este recurso sumado al incumplimiento del tratamiento de aguas estipulados por las comisiones reguladoras sumando la poca conciencia o falta de interés de las poblaciones metropolitanas en el cuidado de los ríos.
Estos factores han desencadenado graves emergencias ambientales y sociales que no parecen tener solución.
Un caso de especial emergencia es el río Atoyac, que desde hace más de cuatro décadas ha estado bajo un estrés antropogénico ligado a la descarga de aguas de las poblaciones urbanas e industriales además de lixiviados consecuentes a una intensiva actividad agrícola periurbana. (Mora et al., 2021). Frente a esta crisis, la energía solar surge como una solución sostenible para devolver vida a un río que agoniza bajo el peso de los desechos industriales y domésticos.
Es decir, en lugar de depender de químicos y métodos altamente costosos, optar por un sistema que aproveche la luz del sol para activar materiales que, día tras día, se encarguen de degradar pesticidas y metales pesados hasta convertirlos en compuestos no tóxicos ni dañinos a la salud. Sí, hablamos de la fotocatálisis.
Un río enfermo
Este gran cuerpo de agua que alimenta a la zona metropolitana de Puebla-Tlaxcala una de las densidades poblacionales más grandes de México. Naciendo desde la zona del alto Atoyac y logrando atravesar los estados de Tlaxcala y Puebla pasando por la ciudad de Puebla hasta llegar a la presa “Manuel Ávila Camacho” (Valsequillo) (Pérez Castresana et al., 2018).
El río presenta contaminantes microbiológicos y orgánicos, químicos orgánicos e inorgánicos. El agua no solo está saturada de contaminantes que acaban con el oxígeno y la vida acuática, sino que también alberga un alto nivel de bacterias fecales y otros microorganismos capaces de causar enfermedades. (Pérez Castresana et al., 2018). Además de contener metales pesados tóxicos, como plomo y cromo, provenientes de las descargas industriales, junto con otros metales como cobre, zinc y aluminio en niveles dañinos. Las investigaciones son contundentes: los niños que beben agua contaminada del subsuelo tienen un altísimo riesgo de desarrollar cáncer. Además, los campesinos que trabajan en tierras regadas con el agua del río y los niños que consumen leche con arsénico (un metal tóxico que proviene del río) también enfrentan una alta probabilidad de contraer otras enfermedades graves. (Mora et al., 2021).
El foco de la solución: la fotocatálisis
Más allá de decir que la fotocatálisis es una tecnología que aprovecha la luz solar, lo que, si bien es cierto, también es demasiado ambiguo, es importante entender qué es y cómo funciona, pues la fotocatálisis se encuentra entre los PAA (Procesos de Avanzada Oxidación) más investigados. Se trata de un proceso de degradación de contaminantes utilizando catalizadores que emplean irradiación UV/visible (Li et al. 2020).
La forma más eficiente es a través de la fotocatálisis heterogénea, que consiste en el uso de un fotocatalizador de material sólido o un óxido metálico, al ser reutilizables, estables, de gran superficie y poder activarse fácilmente con la luz solar o con luz UV, los convierte en materiales ideales para esta misión (Ghamarpoor et al., 2024). El mecanismo inicia cuando una partícula con estas características, como el Dióxido de Titanio (TiO2) absorbe la energía proveniente de la luz solar, haciendo saltar al electrón de su posición normal a un nivel superior de energía, dejando así un hueco cargado positivamente. En este momento, la partícula está activada con un par electrón-hueco, donde el hueco positivo interactúa con las moléculas de agua, esta reacción da lugar al radical hidroxilo. Por otra parte, el electrón libre interactúa con el oxígeno disuelto en el agua, esta reacción da lugar al radical superóxido. Una vez generadas estas reacciones, empieza un ataque indiscriminado a cualquier molécula contaminante como pesticidas o químicos industriales, transformándolas en compuestos inofensivos, principalmente dióxido de carbono y agua (Umar & Aziz, 2013). Como se puede ver, lo más interesante de este tratamiento es que no se necesita añadir productos químicos peligrosos y altamente costosos, sino que puede funcionar aprovechando la luz solar, una fuente limpia y gratuita para todos.
Diseñando el futuro
Ante la presente emergencia sanitaria y los desafíos sociales y ambientales en la cuenca del Atoyac, se propone la implementación de un sistema de fotocatálisis solar de bajo costo y fácil implementación: un fotocatalizador mixto Dióxido de Titanio (TiO2) y Óxido de Zinc (ZnO) en polvo basado en la tecnología de oxidación avanzada (Ghamarpoor et al., 2024). La combinación de estos materiales da lugar a nuestro “super-detergente” pues se ha demostrado que el ZnO potencia la eficiencia cuántica del TiO2, mejorando la actividad fotocatalítica al reducir la recombinación de pares electrón-hueco. Es importante entender que una mezcla manual de TiO2 y ZnO no satisface los estándares óptimos requeridos a diferencia de un molino de bolas o una concentración hecha en un laboratorio (Almansa Ortegón et al., 2015).
La concentración óptima de catalizador en suspensión para la remoción de patógenos es 1 g/L, o 1 mg/ml de fotocatalizador total (Vargas et al., 2019). De acuerdo con estos parámetros, se ideó un modelo teórico de fotocatalizador mixto que aún requiere de investigación sólida para su aplicación en el tratamiento de agua.
Materiales:
- Envase reactor transparente
- Papel aluminio
- Fotocatalizador mixto: polvo de Dióxido de Titanio (TiO2) en polvo y Óxido de Zinc (ZnO) en polvo)
- Equipo de Protección Personal (EPP): gafas de seguridad, cubrebocas y guantes de látex.
Pasos que seguir:
- Por seguridad, portar el equipo de protección para minimizar el riesgo de accidentes como irritación en la piel y ojos o por respirar los olores fuertes de las mezclas que se harán.
- Añadir la cantidad necesaria de fotocatalizador mixto para alcanzar una concentración de 1 g/L, en el volumen total de agua contaminada.
- Tomar el envase reactor transparente y cubrir la mitad inferior con papel aluminio para evitar la degradación de contaminantes en áreas que no reciben luz y concentrar la radiación en la superficie transparente.
- Transferir la muestra de agua contaminada al envase reactor.
- Agregar la dosis pesada del fotocatalizador al agua contaminada para iniciar la fase heterogénea de la reacción.
- Agitar manualmente durante 2-3 minutos para asegurar una dispersión homogénea del catalizador.
- Colocar el reactor en un área de exposición solar directa por un periodo de 4 a 6 horas, tiempo suficiente para la degradación de contaminantes orgánicos persistentes.
Uso recomendado y limitaciones
El agua tratada sólo debe emplearse en actividades de limpieza en zonas abiertas de tránsito humano, lavado de vehículos de transporte, riego de césped y plantas de jardín. Dentro de las limitaciones, se prohíbe estrictamente su consumo o uso en la cocina.
Conclusión
El diagnóstico ambiental alrededor del río Atoyac es deplorable y ha condenado a las comunidades aledañas a vivir en una Región de Emergencia Sanitaria y Ambiental (RESA) presentando altas tasas de enfermedades crónicas. Afortunadamente, los causantes de esta situación también pueden actuar para reparar el daño que ya no solo afecta a la vida acuática, sino que también amenaza su propia vida.
Una solución prometedora es la fotocatálisis heterogénea, que es capaz de degradar los contaminantes y transformarlos en compuestos inofensivos, haciendo posible el aprovechamiento de esa agua para actividades domésticas o de cultivo.
Se debe ser consciente de que la implementación de sistemas fotocatalíticos solo es una herramienta, el cambio real viene acompañado de una fuerte regulación industrial y un compromiso comunitario para finalmente lograr reducir los contaminantes más persistentes, mitigar la crisis de salud y restaurar la calidad ecológica.
La ciencia está lista, la tecnología espera ser implementada, y la sociedad anhela agua limpia, por qué no unirse para transformar una esperanza en una realidad de vida.
