Dos grupos de investigación de la UCO diseñan un reactor de plasma para descontaminar el agua

El plasma es un gas ionizado, es decir, un gas que contiene electrones, iones, átomos, moléculas, radicales y fotones. Es con frecuencia denominado el cuarto estado de la materia y, aunque no lo parezca, lo impregna todo. Los plasmas, que se generan artificialmente comunicando energía a un gas, están en los tubos fluorescentes que iluminan las cocinas, pero también han permitido que los móviles sean cada vez más pequeños.

El plasma ha supuesto una revolución en el mundo de la tecnología. Antes, para grabar los circuitos en las placas de silicio que daban vida a dispositivos electrónicos como móviles había que usar productos químicos que eran contaminantes; ahoran, la utilización del plasma ha permitido hacerlo de manera más limpia y precisa, pudiendo hacer cada vez las hendiduras más pequeñas y por ende los dispositivos.

Pero el plasma tiene otras aplicaciones, como el tratamiento de aguas. Los grupos FQM-136 Física de Plasmas y FQM-346 Catálisis Orgánica y Materiales Nanoestructurados de la Universidad de Córdoba han colaborado en un trabajo de investigación cuyo propósito ha sido la eliminación de contaminantes presentes en el agua, aplicando el plasma para promover procesos químicos.

Con el objetivo de abordar la problemática de la creciente presencia de contaminantes orgánicos en las aguas, como colorantes u otros compuestos derivados de la actividad agrícola e industrial en las aguas que desestabilizan los ecosistemas, estos investigadores pensaron en la aplicación del plasma.

Así,  demostraron, por primera vez,  en 2017 que los plasmas de argón inducidos por microondas abiertos al aire, al actuar sobre el agua, generaban en ella especies reactivas que contiene oxígeno y nitrógeno (como radicales hidroxilos, peróxido de hidrónego, radicales nitrogenados) capaces de descontaminarla.  Ahora los investigadores Juan Amaro Gahete, Francisco J. Romero Salguero y María C. García han conseguido diseñar un reactor de este tipo de plasma e incrementar notablemente las cantidades de esas especies activas generadas en agua, permitiendo así la destrucción de altas concentraciones de tintes (en este caso, azul de metileno)  en cuestión de minutos.

Esto lo han conseguido cambiando el diseño del surfatrón, que es el aparato de metal que acopla la energía procedente de un generador de microondas al plasma para mantenerlo. “Lo que hemos hecho ha sido colocar una pequeña pieza de silicio en el tubo de cuarzo de descarga, permitiendo que se genere un plasma diferente que no se filamenta y que es más eficiente creando especies activas al interaccionar con el agua” explica la catedrática María C. García. Los componentes del plasma, mencionados previamente, al interaccionar con el agua generan especies oxidantes que son capaces de degradar compuestos orgánicos y matar microorganismos, lo cual permite utilizar este reactor plasma en aplicaciones relacionadas con la remediación de aguas.

Esta nueva configuración amplía, por tanto, la aplicabilidad de este tipo de plasmas. “El diseño cambia  completamente la configuración del campo electromagnético que genera el surfatrón para crear el plasma, dando lugar a un plasma de propiedades distintas y más eficiente, eliminando además ese problema de la filamentación (la división de la columna de plasma en muchos filamentos) que lo inestabiliza” explica la profesora García.

Y, entonces, ocurre la descontaminación. Esas especies oxidantes que se generan por la acción del plasma son muy reactivas y permiten destruir la materia orgánica dentro del agua“ continúa el catedrático Francisco J. Romero. Para que esto ocurra, no se introduce el plasma en el agua, sino que se le hace actuar remotamente, de manera que entre el agua y el plasma queda una región de aire donde se producen numerosas reacciones por colisiones entre las especies excitadas y las moléculas de oxígeno, nitrógeno y vapor de agua, y se generan las ”especies reactivas que difunden al líquido y acaban con los contaminantes“.

El potencial descontaminante de este tipo de plasma generado con este nuevo diseño “ha sido probado para reducir elevadas concentraciones del tinte azul de metileno en agua, con resultados muy eficientes en términos de energía logrando la completa eliminación del colorante a reducidos tiempos de tratamiento” señala el investigador Juan Amaro.

Así, con este trabajo, se avanza en una de las aplicaciones del plasma, ese “cuarto estado de la materia” que nace aportando energía a un gas estable y convirtiéndolo en un gas ionizado y que se aplica a casi todo: fabricar microchips, desinfectar superficies, curar heridas, depositar recubrimientos antirreflejantes sobre vidrios, mejorar la germinación de semillas, valorizar residuos, activar la superficie de los plásticos para conseguir una mejor adherencia de la pintura, e infinidad de aplicaciones más.

Referencia

Amaro-Gahete J, Romero-Salguero FJ, Garcia MC. Modifiedsurfatrondevicetoimprovemicrowave-plasma-assistedgenerationof RONS and methylene blue degradation in water. Chemosphere. 2024 Feb;349:140820. doi: 10.1016/j.chemosphere.2023.140820.