Un equipo de la Universidad de Almería (UAL) ha analizado la capacidad del biochar de lignina, un tipo de carbón vegetal, para atrapar contaminantes emergentes presentes en las aguas residuales, entre ellos restos de medicamentos, pesticidas, microplásticos y sustancias PFAS. La investigación abre además una vía para transformar un residuo vegetal poco aprovechado en un material de alto valor para la depuración del agua.
Las aguas residuales procedentes de la actividad humana contienen una amplia variedad de sustancias cuya eliminación completa supone un reto para los sistemas convencionales de tratamiento. Entre ellas se encuentran fármacos, pesticidas, microplásticos y sustancias perfluoroalquiladas (PFAS), conocidas como los «contaminantes eternos» por su elevada persistencia en el medio ambiente.
Frente a este problema, investigadores del Departamento de Química y Física de la Universidad de Almería, Francisco Flores y Luis García, han revisado las investigaciones más recientes sobre el uso del biochar de lignina como material capaz de adsorber contaminantes presentes en el agua.
El trabajo, publicado en la revista Molecules, pone el foco en un material obtenido a partir de uno de los residuos más abundantes de las biorrefinerías. Lo que hasta ahora tenía un valor limitado puede convertirse en un potente adsorbente para capturar contaminantes difíciles de eliminar, al tiempo que ofrece una nueva vía para valorizar millones de toneladas de residuos vegetales.
El biochar representa «una plataforma versátil y escalable para la valorización de la lignina y el diseño de materiales sostenibles en el marco de la bioeconomía circular», explican.
El biochar transforma un residuo vegetal en un filtro para el agua
La lignina es una sustancia que producen de forma natural todas las plantas leñosas. Es responsable de aportar rigidez a los troncos y de proteger las paredes celulares frente a la degradación.
Aunque es uno de los polímeros renovables más abundantes del planeta, continúa estando infrautilizada y, en muchos casos, se emplea principalmente como combustible en industrias papeleras y biorrefinerías.
Sin embargo, su estructura rica en carbono también convierte a la lignina en una materia prima interesante para fabricar materiales avanzados destinados a la eliminación de contaminantes.
El biochar se obtiene calentando la lignina, habitualmente entre 400 y 800 grados, en ausencia de oxígeno. Este proceso, conocido como pirólisis, reorganiza el carbono y genera una estructura estable con una elevada cantidad de cavidades microscópicas.
También puede producirse mediante carbonización hidrotermal, una técnica que trabaja a temperaturas más bajas y utiliza agua a presión. Ambas rutas generan materiales con «una compleja red de poros capaces de retener moléculas contaminantes».
¿Cómo consigue el biochar atrapar los contaminantes del agua?
Una de las principales ventajas del biochar derivado de lignina es su capacidad para interactuar con sustancias químicas de características muy diferentes.
Lo más llamativo del biochar derivado de lignina, explican los investigadores de la UAL, es que «puede actuar frente a contaminantes muy distintos utilizando varios mecanismos de forma simultánea».
Su estructura aromática favorece la interacción con numerosos compuestos orgánicos. Los grupos funcionales de su superficie forman enlaces de hidrógeno, mientras que las cargas superficiales generan atracciones electrostáticas. A ello se suma la red de microporos, que permite atrapar físicamente determinadas moléculas.
El resultado es una auténtica «esponja molecular capaz de capturar sustancias con características muy diferentes».
Biochar para eliminar fármacos y otros contaminantes emergentes
Los estudios recopilados por el equipo de la Universidad de Almería muestran resultados especialmente prometedores frente a algunos de los contaminantes emergentes que más preocupan por su presencia en el agua.
Entre ellos se encuentran medicamentos como el diclofenaco, la carbamazepina y la tetraciclina. Su eliminación puede mejorar de forma notable cuando el biochar se somete a procesos de activación química que incrementan su superficie específica y, con ella, su capacidad de adsorción.
El material también ofrece buenos resultados frente a compuestos presentes en cosméticos y productos de higiene personal, como el triclosán o el bisfenol A, gracias a la afinidad existente entre estos contaminantes y la estructura aromática del propio material.
Una nueva vía para atrapar microplásticos
Francisco Flores y Luis García también han analizado el potencial del biochar de lignina frente a los microplásticos, uno de los grupos de contaminantes emergentes que más atención está recibiendo en los últimos años.
En este caso, los investigadores aclaran que «los materiales con una mayor porosidad consiguen retener nanoplásticos mediante una combinación de atrapamiento físico e interacciones hidrofóbicas», aunque advierten de que se trata de una línea de investigación todavía incipiente.
La capacidad de controlar la porosidad del biochar resulta especialmente relevante porque permite modificar las características del material en función del tipo de contaminante que se pretende retener.
Biochar frente a los PFAS, los contaminantes eternos
Otro de los campos analizados por el grupo de la UAL es la utilización de este carbón vegetal para eliminar sustancias PFAS.
Los compuestos perfluoroalquilados reciben el sobrenombre de «contaminantes eternos» debido a su elevada estabilidad y a la dificultad que presentan para degradarse en el medio ambiente. Su presencia en aguas y suelos constituye uno de los retos actuales de la gestión de la contaminación química.
La revisión realizada por los investigadores apunta a que el biochar puede mejorar su capacidad de retención mediante diferentes procesos de modificación.
«Transformar la lignina en biochar incrementa de forma considerable su capacidad para retener estas sustancias. Algunos materiales activados alcanzan eficiencias superiores al 99 % en condiciones experimentales optimizadas», afirman.
A pesar de estos resultados, los investigadores prefieren mantener la cautela. El material todavía debe optimizarse para alcanzar un rendimiento comparable al de otros carbones activos disponibles comercialmente.
Un material que puede diseñarse para cada contaminante
Una de las principales ventajas del biochar de lignina es su versatilidad. Sus propiedades pueden modificarse durante el proceso de fabricación para adaptar el material a diferentes aplicaciones.
«La activación química permite multiplicar su superficie específica; la incorporación de nitrógeno, fósforo o azufre cambia el comportamiento químico del carbono; la oxidación superficial mejora la interacción con determinados contaminantes y la incorporación de nanopartículas metálicas abre la puerta a materiales con actividad catalítica».
De este modo, el objetivo no consiste únicamente en mejorar las propiedades generales del biochar, sino en conseguir materiales capaces de responder a las características concretas de cada contaminante.
Así, explican, la adaptación no debe entenderse simplemente como un paso para mejorar el material, sino como «una herramienta para diseñarlo específicamente en función del contaminante que se quiera eliminar».
Del tratamiento de aguas residuales a la agricultura
Las propiedades que permiten al biochar atrapar moléculas también hacen posible el proceso contrario: liberarlas de forma controlada.
Esta característica abre otra posible aplicación en agricultura, donde estos materiales pueden emplearse como soportes para fertilizantes y pesticidas de liberación lenta.
«En lugar de eliminar sustancias del agua, el biochar las almacena y las libera gradualmente en el suelo, reduciendo las pérdidas por lixiviación y aumentando la eficiencia de los tratamientos agrícolas».
Esta doble capacidad refuerza el interés del biochar dentro de un modelo de economía circular, ya que un residuo procedente de procesos industriales puede transformarse en un material con aplicaciones ambientales y agrícolas.
El reto pendiente: probar el biochar en aguas residuales reales
Pese al potencial del biochar derivado de lignina, los investigadores recuerdan que todavía existen importantes desafíos antes de plantear su implantación a gran escala.
«La composición de la lignina varía según la especie vegetal y el proceso industrial empleado para extraerla, lo que también modifica las características del biochar obtenido».
Además, una parte importante de los experimentos publicados hasta ahora se ha realizado en condiciones de laboratorio, utilizando soluciones mucho más sencillas que las aguas residuales reales.
Francisco Flores y Luis García reconocen que la eficacia de estos materiales en condiciones ambientales reales todavía necesita evaluarse y mejorarse mediante ensayos a mayor escala.
Aun así, la conclusión obtenida por la revisión es positiva. El material que hasta ahora era considerado poco más que un residuo empleado, en el mejor de los casos, para producir calor, esconde una estructura que lo convierte en una alternativa especialmente interesante para afrontar uno de los grandes desafíos ambientales: reducir la presencia de contaminantes químicos en el agua y evitar su llegada al medio ambiente.
