Materiales magnéticos muestran potencial para tratar derrames de petróleo

En una investigación realizada en Brasil, se combinaron minerales con estas propiedades y residuos de biomasa para formar partículas capaces de remover con gran eficacia tanto crudo pesado como derivados presentes en la superficie del agua

Por Elton Alisson | Agência FAPESP – Investigadores de las universidades federales de São Paulo (Unifesp) y de Sergipe (UFS), en colaboración con la también federal de São Carlos (UFSCar), todas en Brasil, están desarrollando materiales magnéticos que podrán ayudar en la remoción de petróleo crudo de la superficie del agua en casos de derrames como el que afectó a las playas de la costa brasileña este año.

En pruebas de laboratorio, estos materiales híbridos –compuestos por partículas ferromagnéticas de dimensiones nanométricas (milmillonésimas partes del metro) y residuos de biomasa– mostraron capacidad para remover petróleo bruto y otros aceites derivados, como el de los motores de los barcos, con más de 80% de eficacia.

Los resultados del proyecto de la Unifesp, desarrollado con el apoyo de la FAPESP, se pondrán a prueba en experimentos de campo en el estado de Ceará. El objetivo es evaluar la eficiencia del material en la remoción del crudo existente en las playas de ese estado del nordeste de Brasil.

“Esas partículas nanomagnéticas permiten no solo la limpieza de las playas sino también la recuperación del petróleo a cargo de las empresas en casos de escapes. Otra ventaja reside en que son ambientalmente amigables, pues se elaboran con compuestos existentes en la naturaleza”, declaró a Agência FAPESP Geórgia Labuto, docente de la Unifesp en su campus de la localidad de Diadema.

Las partículas que desarrolló el grupo de la Unifesp reúnen en su composición magnetita (un mineral magnético) y residuos de biomasa de levadura provenientes de procesos de fermentación de la industria del etanol. Esta asociación da origen a bionanocompuestos –materiales híbridos a escala nanométrica y obtenidos de fuentes renovables– y, de acuerdo con los investigadores, permite reducir el costo de producción del material e incrementar la cantidad de petróleo que puede removerse.

Sucede que, al depositar las partículas de magnetita sobre la superficie de la biomasa, fue posible mantener las propiedades magnéticas y, al mismo tiempo, expandir el área superficial de contacto existente entre el material magnético y el petróleo.

“Además del ahorro, los residuos agroindustriales permiten producir una masa mayor de material magnético con una menor cantidad de reactivos. Al aplicar un campo magnético en un medio acuoso donde estas partículas se encuentran dispersas, es posible removerlas junto con un fluido adherido a ellas como el petróleo”, explicó la investigadora.

La capacidad de remoción

En un estudio publicado en el Journal of Environmental Management, los investigadores evaluaron la capacidad de los bionanocompuestos de remover del agua las manchas de aceite de motores nuevo, usado y de petróleo con gravedad o grados API 28°, clasificado como crudo ligero y de alto valor comercial según la escala creada por el American Petroleum Institute y el National Bureau of Standards (cuanto mayor es la densidad del crudo, menor es su gravedad API).

Los resultados indicaron que el material fue capaz de remover, tras un contacto de dos minutos, entre el 55% y el 89% de la cantidad de petróleo y de aceite nuevo y el 69% aceite usado presente en las muestras.

Los investigadores también constataron que la remoción de esos compuestos del agua con el material constituye un fenómeno predominantemente físico, en el cual la fuerza de atracción ejercida por un campo magnético, tal como el que produce un imán, es tan intensa que arrastra a las partículas y, por ende, al petróleo o aceite adherido a su superficie.

En casos de derrames, la idea de los investigadores consiste en emplear las partículas para remover el petróleo bruto después de que el mismo ha sido retirado de la superficie del agua mediante skimmers, una especie de cintas acopladas al buque que transportan el crudo derramado en el mar mezclado con agua y desechos hacia el interior de la embarcación.

“Nuestro objetivo es utilizar este material para recolectar el petróleo ya levantado y separarlo del agua”, afirmó Labuto.

El grupo de investigadores de la Unifesp también ha venido empleando corcho en polvo para desarrollar los bionanocompuestos.

En el marco de otro estudio, también publicado en el Journal of Environmental Management, se analizó la eficacia de ambos tipos de partículas –uno con biomasa de levadura y otro con corcho en polvo– en la remoción de petróleo con distintos grados API, incluidos petróleos pesados (API 10) y ligeros (API 45) de la superficie de agua dulce y marina, con y sin agitación de la superficie acuosa.

Los nanomateriales magnéticos expuestos al petróleo en el agua fueron extraídos con un imán de neodimio.

Los resultados de los análisis indicaron que los nanocompuestos magnéticos de biomasa de levadura exhibieron tasas de recuperación de petróleo más altas. Asimismo, la remoción del petróleo con este material magnético aumenta a medida que el API disminuye. De esta forma, es posible prever la cantidad pasible de recuperarse de acuerdo con la densidad.

“Cuanto mayor es la gravedad API, más liviano y mayor es el valor comercial del petróleo”, explicó Labuto.

Al variar la masa de bionanocompuesto, fue posible remover el 100% de todos los tipos de petróleo estudiados, independiendo de la gravedad API.

“Los compuestos magnéticos pueden utilizarse en diversos ciclos de remoción de petróleo, antes de la recuperación e incluso después de la misma, toda vez que mantienen sus propiedades magnéticas”, remarcó Labuto.

Otros materiales

Otro grupo de investigadores de la UFS, en colaboración con colegas de la UFSCar, en el marco de un proyecto de posdoctorado apoyado por la FAPESP, ha desarrollado matrices híbridas en forma de polvo y de membrana, compuestas de ferrita de cobalto también a escala nanométrica.

Los polvos se sintetizaron empleando residuos de mesocarpio de coco, bagazo de caña de azúcar, aserrín y camalotes. En tanto, las membranas fueron preparadas con el polímero polietersulfona.

En un estudio también publicado en el Journal of Environmental Management, los investigadores evaluaron en laboratorio la eficacia de la remoción de petróleo bruto pesado de la superficie del agua mediante la atracción magnética de esos materiales.

El desarrollo de los materiales estuvo a cargo de la investigadora Graziele da Costa Cunha, posdoctoranda en la UFS bajo la supervisión de la profesora Luciane Pimenta Cruz Romão.

Los resultados de los análisis indicaron que el material en forma de polvo a base de bagazo de caña de azúcar exhibió una mayor eficacia en la remoción del petróleo, con una capacidad de adsorción del 85%, y que esto puede adjudicarse a la naturaleza fibrosa de la materia prima empleada.

En tanto, las membranas fueron capaces de remover una cantidad de petróleo equivalente a 35 veces su masa.

Cuando se aplicaron ambos materiales simultáneamente, fue posible remover una cantidad de petróleo equivalente a 35 veces su masa y aumentar la capacidad de adsorción del polvo a base de bagazo de caña de azúcar un 23%.

Esta gran capacidad de adsorción está relacionada con una barrera de retención formada por el material en polvo, que impidió la propagación de la mancha de petróleo y permitió su remoción homogénea, según destacaron los autores.

“También observamos que la distribución de las nanopartículas de ferrita de cobalto en los residuos de biomasa aumentó la velocidad de remoción del crudo”, dijo Caio Marcio Paranhos da Silva, docente de la UFSCar y coordinador del proyecto.

“Los materiales fueron capaces de remover el petróleo de la superficie del agua de las muestras en solo dos segundos”, afirmó.

En el marco de una pasantía de investigación en la Universidad de Aveiro, en Portugal, también con el apoyo de la FAPESP, el posdoctorando José Arnaldo Santana Costa, supervisado por Paranhos da Silva, pretende ahora incorporar nanopartículas de ferrita de cobalto a una partícula obtenida a partir de la cáscara de arroz que desarrolló durante su doctorado.

El objetivo es producir una nueva membrana capaz de remover no solo crudo de la superficie del agua sino también hidrocarburos policíclicos aromáticos (HPAs). De esta forma, sería posible no solamente remover el petróleo pesado producto de derrames sino también disminuir su toxicidad.

“Estas sustancias, que se encuentran presentes en el crudo pesado, son sumamente tóxicas, tienen potencial carcinogénico y  constituyen un gran riesgo para las personas que se han presentado como voluntarias para remover el petróleo de las playas del nordeste brasileño sin la protección adecuada”, dijo Paranhos da Silva.

Puede leerse el artículo intitulado Oil spill cleanup employing magnetite nanoparticles and yeast-based magnetic bionanocomposite (DOI: 10.1016/j.jenvman.2018.09.094), de Karina B. Debs, Débora S. Cardona, Heron D.T. da Silva, Nashaat N. Nassar, Elma N.V.M. Carrilho, Paula S. Haddad y Geórgia Labuto, en el siguiente enlace www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0301479718311046.

Y el artículo A comparison study of cleanup techniques for oil spill treatment using magnetic nanomaterials (DOI: 10.1016/j.jenvman.2019.04.106), de D.S. Cardona, K.B. Debs, S.G. Lemos, G. Vitale, N.N. Nassar, E.N.V.M. Carrilho, D. Semensatto y G. Labuto, se encuentra disponible para su lectura en: www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0301479719305730.

En tanto, el artículo Removal of heavy crude oil from water surfaces using a magnetic inorganic-organic hybrid powder and membrane system (DOI: 10.1016/j.jenvman.2019.06.050), de Graziele da Costa Cunha, Nalbert C. Pinho, Iris Amanda Alves Silva, José Arnaldo Santana Costa, Caio M.P. da Silva y Luciane P.C. Romão, puede leerse ingresando al siguiente vínculo: www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0301479719308527.