Sugarcane bagasse biochar functionalized with ZnO via zinc hydroxychloride thermal conversion for enhanced photocatalytic degradation of paracetamol

Las plantas de tratamiento de agua están diseñadas para limpiar nuestros ríos y lagos, pero a menudo luchan contra un tipo específico de contaminación invisible: los rastros diminutos de medicamentos que desechamos por el inodoro. Cuando las personas toman analgésicos como el paracetamol, sus cuerpos no absorben cada molécula. El resto pasa a través del sistema de alcantarillado y termina en el medio ambiente, donde puede dañar a los peces y otros animales salvajes. Debido a que estos productos químicos son tan persistentes y existen en cantidades tan pequeñas, los métodos de limpieza estándar no pueden eliminarlos de manera efectiva. Los científicos han recurrido a una solución poderosa llamada fotocatálisis, un proceso que utiliza la luz para desencadenar una reacción química que descompone los contaminantes. Un material común utilizado para esto es el óxido de zinc, un polvo blanco que actúa como una esponja para la energía lumínica. Sin embargo, este material tiene un defecto: cuando absorbe la luz, la energía que captura a menudo se anula a sí misma antes de que pueda realizar cualquier trabajo de limpieza, y las diminutas partículas son difíciles de recolectar una vez terminada la tarea.

Para resolver estos problemas, investigadores de la Universidad Federal de Itajubá en Brasil desarrollaron una nueva forma de combinar el óxido de zinc con un material hecho de desechos agrícolas. Tomaron el bagazo de caña de azúcar, el residuo fibroso que queda después de triturar la caña para hacer jugo, y lo convirtieron en una sustancia porosa similar al carbón conocida como biochar. En lugar de mezclar los materiales en un líquido, cultivaron el óxido de zinc directamente sobre la superficie de este biochar utilizando un proceso de tratamiento térmico. El resultado fue un material compuesto donde las partículas de óxido de zinc que absorben la luz estaban ancladas firmemente al biochar rico en carbono. Esta configuración permitió que el biochar actuara como una estructura de soporte que mantenía las partículas de óxido de zinc separadas y estables, al mismo tiempo que ayudaba a gestionar el flujo de energía para que la reacción de limpieza pudiera ocurrir de manera más eficiente.

El equipo probó este nuevo material intentando eliminar el paracetamol del agua bajo una fuente de luz. Descubrieron que el material soportado por biochar era muy superior al uso de polvo de óxido de zinc puro. En sus experimentos, el nuevo compuesto eliminó más del 78 por ciento del paracetamol del agua en solo 90 minutos, mientras que el polvo de óxido de zinc estándar logró eliminar menos de la mitad de esa cantidad en el mismo periodo de tiempo. Los investigadores observaron que la naturaleza porosa del biochar ayudaba a atrapar las moléculas de medicina cerca de los sitios activos de óxido de zinc, dándole a la reacción una ventaja inicial. Además, el material mostró una velocidad de degradación mucho más rápida, descomponiendo el contaminante a una tasa más del doble que la del polvo no modificado.

Para entender exactamente cómo ocurrió esta limpieza, los científicos utilizaron productos químicos especiales para bloquear diferentes partes del proceso de reacción. Descubrieron que la descomposición de la medicina fue impulsada por un equipo de agentes reactivos. Los ayudantes más importantes fueron los radicales hidroxilo y los radicales superóxido, que son partículas altamente energéticas que atacan y desmantelan las moléculas del fármaco. El biochar desempeñó un papel crucial en la generación de estos radicales al ayudar a separar las cargas eléctricas creadas por la luz, evitando que desperdiciaran su energía. Si bien el material mostró cierto declive en su rendimiento tras usos repetidos, probablemente debido a que los poros se obstruyeron con restos de desechos, se mantuvo lo suficientemente estable como para ser considerado un candidato prometedor para futuros sistemas de tratamiento de agua. Este trabajo sugiere que convertir los desechos agrícolas en una herramienta de limpieza de alta tecnología podría ofrecer una forma de bajo costo y efectiva para proteger nuestros suministros de agua de la creciente amenaza de la contaminación farmacéutica.