El exceso de nutrientes en las aguas residuales puede provocar vertidos perjudiciales en cuerpos de agua naturales, lo que provoca floraciones de algas nocivas con graves repercusiones ambientales y económicas. Para abordar este acuciante problema, un equipo de ingenieros de la Escuela de Ingeniería McKelvey de la Universidad de Washington en San Luis ha desarrollado una solución innovadora. Su novedosa nanotecnología compuesta extrae y recupera nutrientes de las aguas residuales, reciclándolos posteriormente como fertilizantes agrícolas o materias primas para biorrefinerías, a la vez que mitiga la aparición de floraciones de algas nocivas.

Young-Shin Jun , profesor de ingeniería energética, ambiental y química, y Minkyoung Jung, estudiante de doctorado en su laboratorio, crearon novedosos compuestos de hidrogel mineral que pueden eliminar y recuperar amonio y fosfato de las aguas residuales. Estos compuestos incorporan semillas minerales de estruvita y fosfato de calcio a escala nanométrica, que reducen significativamente las concentraciones de amoníaco y fosfato en las aguas residuales hasta en un 60 % y un 91 %, respectivamente. Esta reducción frena el crecimiento de algas y las toxinas asociadas. Un informe del año 2000 de la Administración Nacional Oceánica y Atmosférica de Estados Unidos estimó las pérdidas económicas anuales causadas por la proliferación de algas nocivas en las aguas costeras estadounidenses entre 33,9 y 81,6 millones de dólares, lo que subraya el impacto potencial de esta tecnología.

Los resultados de la investigación fueron publicados en línea el 29 de mayo en un número especial de Environmental Science & Technology.

Al igual que el gel absorbente de humedad presente en el núcleo de los pañales desechables, este hidrogel puede absorber y reutilizar el exceso de nutrientes. Para su solución sostenible, el equipo de Jun utilizó la naturaleza como modelo y como beneficiaria de su método.

“Diseñamos estos compuestos de hidrogel para recuperar amoníaco y fosfato, nutrientes esenciales cuya sobreabundancia provoca la proliferación de algas”, explicó Jun. “La síntesis de amoníaco consume mucha energía, y los recursos de fósforo están disminuyendo. Nuestros compuestos de hidrogel mineral nos permiten extraer estos nutrientes de las aguas residuales y reutilizarlos como fertilizantes y materia prima para biorrefinerías”.

El proceso utiliza la nucleación de nanopartículas, el paso inicial para formar una fase sólida en un sistema acuoso, similar a la formación de cristales de azúcar en una cuerda para elaborar caramelo de roca. Para facilitar este proceso, el equipo de Jun plantó en el hidrogel semillas minerales ultrapequeñas creadas a partir de fosfato de calcio y estruvita, un mineral compuesto de magnesio, amonio y fosfato que se une al calcio y a otros cationes e iones. El amoníaco y el fosfato se unen a las semillas y aumentan el volumen del hidrogel. Durante el proceso, el tamaño promedio de las partículas del hidrogel aumentó de 6,12 nanómetros a 14,8 nanómetros.

Su enfoque aborda tres desafíos importantes de la eliminación convencional de nutrientes: la recolección ineficiente con los métodos tradicionales; el equilibrio en la eliminación de amoníaco y fosfato; y el mantenimiento de una eficiencia de eliminación constante en condiciones hídricas complejas. Este método logra niveles de nutrientes excepcionalmente bajos, lo que previene eficazmente la proliferación de algas nocivas.

Jun destacó la escalabilidad del proceso, con pruebas exitosas realizadas con hasta 20 litros de fluido. El laboratorio ahora está ampliando su capacidad a 200 litros.

«Esto demuestra el potencial de aplicación práctica de nuestra investigación científica fundamental, mostrando una vía viable desde el laboratorio hasta la tecnología cotidiana», afirmó Jun. «Este trabajo pionero representa un avance significativo en la ingeniería ambiental, convirtiendo un problema de residuos en un recurso valioso y ejemplificando la sostenibilidad en acción».

Jun trabajó con la Oficina de Gestión de Tecnología de WashU para patentar la tecnología de hidrogel mineral.