EL DIAMANTE: DE LAS JOYAS A LAS APLICACIONES AMBIENTALES

 Recuerdo ese anillo tan vistoso y elegante que muestran en la galería, que impresiona a todo cuanto pasa por ese pasaje en el centro comercial, el diamante que presume en un arco de oro y cuyo valor es inalcanzable para muchos. 

El diamante, al igual que el grafito y el carbón amorfo es un alótropo (propiedad de un elemento de poseer estructuras moleculares diferentes) del carbono. Debido a su composición y estructura molecular, es el elemento de mayor estabilidad y dureza en la naturaleza. 

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Veronica Carrera

Verónica Carrera es licenciada en química de la UCE. Tiene un máster de química molecular en la universidad Alcalá de Henares y está cursando un doctorado de ciencias de la ingeniería en la universidad Iberoamericana de México DF. Además, tiene 6 años de experiencia en el ámbito petrolero, en supervisión de fluidos de perforación y ambiental, 8 años de experiencia en el campo de auditorías ambientales y un vasto conocimiento de la industria química relacionada a procesos e investigación.

  

La mayoría de los diamantes naturales se forman en condiciones de presión y temperatura extremas, existentes a profundidades de hasta 190 km en el manto terrestre. Estos son llevados cerca de la superficie de la tierra a través de las erupciones volcánicas profundas por el magma, que al enfriarse dan como resultado las rocas ígneas de kimberlitas y lamproitas (Hermann Berg, 2015).

En joyería, el precio de un diamante conocido como “gema” depende de la talla (corte – pulido – simetría), el color, pureza, peso (CARAT) y fluorescencia. Cuantas menos inclusiones (impurezas) tenga un diamante esté será más valorado, cuanto más transparente en la escala de colores también tendrá un valor apreciable, cuanto mayor peso tenga aun cuando su tallaje no sea el mejor también realza su valor (Hershey, 1940).

El diamante y el grafito

El diamante es la segunda forma más estable de carbono, después del grafito. Este renombre como material se debe a sus características físicas derivadas de los enlaces en su estructura cristalina. En particular, de los materiales conocidos por el ser humano el diamante tiene una dureza y una conductividad térmica (cantidad de calor transmitido a través de un material) elevada. Estas propiedades determinan que la aplicación industrial principal del diamante sea en herramientas de corte y de pulido además de otras aplicaciones entre ellas la de fabricación de electrodos para fines de tratamiento de aguas residuales.

Sin embargo, en la industria el diamante valorado principalmente por la dureza y la conductividad térmica, ayuda a explicar por qué el 80% de los diamantes minados, inadecuados para uso como gemas y conocidos como “bort” son destinados a las aplicaciones industriales.  

Entre los usos comunes de este tipo de diamante “bort” se encuentran los rodamientos de alto desempeño, ventanas especializadas, es un semiconductor apto para la construcción de chips, brocas de taladro, etc...

Aplicaciones ambientales del diamante

Entre las aplicaciones del diamante llama la atención aquellas relacionadas al ámbito ambiental, donde la tecnología ha trascendido y este elemento alótropo permite, debido a su composición interna, doparse con otro elemento como lo es el boro (BDD) en un sustrato de silicio y formar los electrodos para aplicaciones electroquímicas, entendiéndose por dopaje al proceso intencional de agregar impurezas a un semiconductor extremadamente puro como lo es el diamante, con el fin de cambiar sus propiedades eléctricas.

Muchas características tecnológicas importantes de esta capa delgada de diamante dopado con boro son: una superficie inerte con baja capacidad de adsorción, una considerable estabilidad a la corrosión, inclusive en medios ácidos y una extrema ventana de potencial de acción en electrolitos acuosos y no acuosos. A parte de las propiedades mencionadas anteriormente, se debe tomar en cuenta que los electrodos de diamante están demostrando ser una prometedora solución para tratamientos electroquímicos terciarios, de aguas residuales que contengan contaminantes orgánicos persistentes (COP´s); así como lo son los plaguicidas, pesticidas, hormonas esteroidas, etc...

Por otro lado el boro, un metaloide conductor de energía y cuyos espacios intermoleculares permiten enlazarse a los del diamante “bort” por su poder de conducción térmica, permiten tener un buen electrodo para fines electroquímicos.

A medida que existe un incremento en la producción de aguas residuales con un alto contenido de contaminantes orgánicos tóxicos, el incremento de investigaciones y negocios relacionados con el tratamiento de estas aguas es bastante notable. Actualmente muchas tecnologías que incluyen procesos biológicos, físicos y químicos son viables. Específicamente las tecnologías electroquímicas de oxidación que proporcionan mayor versatilidad, eficiencia energética, facilidad de automatización y mayor compatibilidad ambiental, permitiendo un gran avance en el desarrollo tecnológico y su utilidad en la destrucción de contaminantes tóxicos de alta persistencia y biorefractarios, que no son más que aquellos productos que inhiben los procesos de biodegradación como es el caso del benceno, cloroformo, cloruro de metileno, estireno, entre otros (Chen, 2004).

Muchas plantas de tratamiento de agua residual están pobremente diseñadas para la remoción de contaminantes emergentes, como lo son productos farmaceúticos, hormonas esteroideas, productos de belleza y cuidado personal que se supone se degradan en condiciones naturales, en igual forma los COP´s incluyen compuestos organoclorados como pesticidas y químicos industriales, muy afines a los tejidos grasos (El-Shahawi, 2010). Los procesos de remediación primarios y secundarios muestran ineficiencias dentro de los tipos de contaminantes mencionados anteriormente. En cambio, los procesos de oxidación avanzada aprovechan la formación de radicales hidroxilo para degradar incluso los contaminantes más recalcitrantes (difíciles de degradar) en los caudales de agua residual.

En general, el desempeño de los procesos electroquímicos es determinado por una compleja interacción de parámetros que pueden optimizarse de una manera efectiva y económica. Este desempeño se realiza con el fin de alcanzar la mineralización (destrucción) de los contaminantes o su descomposición. 

Es importante contextualizar que dentro del mencionado proceso electroquímico una celda electroquímica y el proceso de oxidación-reducción que nos hacían pasar días enteros entendiendo los elementos y sus estados de oxidación. Es dentro de este dispositivo experimental que se genera electricidad mediante una reacción química o en su defecto puede recibir energía de una fuente externa para que en su sistema las reacciones de óxido reducción puedan llevarse a cabo.

Especificando podemos nombrar a los siguientes como componentes característicos de la celda:

- el ánodo donde se produce la reacción de oxidación o pérdida de electrones;

- el cátodo donde la reacción de reducción se produce y por ende la ganancia de electrones; 

- el voltímetro que permite el paso de los electrones cerrando el circuito, midiendo la diferencia de potencial eléctrico, entre el ánodo y el cátodo.

Los respectivos electrodos (ánodo y cátodo), de acuerdo al fin con el que van a ser empleados, deben considerarse en su fabricación. En el agua, medio donde se tiene el puente salino, el proceso de oxidación o pérdida de electrones; ej: 2H2O      O2 + 4H++4e, favorece la producción de oxígeno y el de  reducción o ganancia de electrones; ej; 2H2O + 2e     H2 + 2OH-  la producción de hidrógeno, por un proceso de electrólisis donde el agua se descompone por acción de la corriente eléctrica formando los productos mencionados. Por lo expuesto anteriormente; en la fabricación de ánodos y cátodos convendría tomar en cuenta además las ventajas que estos tendrían en función de ser buenos catalizadores de reacciones subsecuentes.

Los materiales ideales para la fabricación de electrodos para la degradación de contaminantes orgánicos deberían ser estables en una electrólisis media, económicos y además tendrían que exhibir una alta actividad de oxidación orgánica para su degradación y baja actividad hacia las reacciones secundarias (ej: evolución de oxígeno). Como consecuencia, muchos materiales anódicos han sido evaluados para encontrar uno que sea óptimo para este fin. De acuerdo, con el modelo propuesto en trabajos previos (Comninellis, 1994). Los materiales anódicos pueden dividirse en dos clases: 

ánodos activos los cuales tiene un bajo potencial de producción de oxígeno, convirtiéndose en buenos electrocatalizadores y favoreciendo a una parcial y selectiva oxidación. (ej: conversión) incluyen carbón y grafito, ánodos a base de platino, óxidos a base de iridio y rutenio;

ánodos no activos con un alto potencial de evolución de oxígeno, que consecuentemente son pobres electrocatalizadores, que permiten la oxidación completa y no selectiva de los contaminantes orgánicos hacia CO2 por una electro generación de radicales hidroxilo. Los ánodos no activos son de materiales como dióxidos de estaño dopado con antimonio, dióxidos de plomo y diamante dopado con boro (BDD).

Entre los ánodos no activos, el BDD presenta algunas propiedades tecnológicas importantes que lo distinguen de los electrodos convencionales, así como una amplia ventana de potencial, lo que significa que puede actuar dentro de un amplio intervalo de voltaje al de otros empleados para este fin en soluciones electrolíticas acuosas y no acuosas: en el caso de la alta calidad del diamante, la ventana de acción excede los 3V permitiendo mineralizar la mayor cantidades de componentes orgánicos que anteriormente solo se podían remover.

Sin embargo, los fundamentos y aplicaciones del tratamiento de aguas residuales con una metodología potente de electro oxidación usando una celda sin divisiones con electrodos de BDD, permite la mineralización (destrucción de materia orgánica en dióxido de carbono y agua) de contaminantes orgánicos presentes en aguas residuales debido a la alta producción de radicales hidroxilo producidos en la superficie de BDD por una oxidación del agua y que con reacciones asociadas como la de fenton en las cuales se emplea el Fe2+ en solución ácida y el H2O2 electrogenerado en el cátodo.

El modelo asume que la reacción inicial en ambos tipos de ánodos activos e inactivos corresponde a la oxidación del agua que promueve la formación de radicales fisisorbidos (que se encuentran absorbidos en la superficie sin interactuar con ella). En los ánodos activos la superficie de estos interactúa fuertemente con el OH formando los superóxidos, altamente oxidantes. Esto ocurre cuando una alta oxidación es posible en un ánodo de óxido metálico, sobre la evolución estándar potencial del O2. 

En los ánodos no activos, donde la formación del óxido es excluida, los radicales hidroxilos, también conocidos como oxígeno activo fisiosorbido, permiten una oxidación no selectiva de compuestos orgánicos, los cuales resultan en una completa combustión, generando dióxido de carbono y agua.

Por lo tanto ánodos con un bajo sobrepotencial de evolución del O2 (ejm: ánodos que son buenos catalizadores para las reacciones electroquímica de oxidación (OER)) conllevan a una oxidación parcial de los compuestos orgánicos, mientras que los ánodos con un alto sobrepotencial de evolución de O2 (ánodos pobremente catalíticos) favorecen la completa oxidación del material orgánico hacia CO2, convirtiéndose en electrodos ideales para tratamientos de aguas residuales como es el caso del PbO2 y BDD, esto se debe al débil enlace M-OH (Martínez-Huitle, 2015).

Sin embargo, muchos podrían pensar que estos electrodos de BDD tienen un costo que supera las expectativas en un tratamiento de aguas residuales y no es así, pues la constitución de este electrodo se da sobre un sustrato de silicio que tiene una fina capa diamante cristalino de un tamaño de micras dopado con el boro y le permiten ser una fuente de oxidación alta que permite degradar lo que antes no se podía ni remover en muchos tratamientos y que persisten en el ambiente sin poder hasta el momento ser tratados por ningún proceso convencional; los tiempos de tratamiento de contaminantes persistentes y emergentes se vuelven factibles con tratamientos de oxidación avanzado con electrodos de BDD.

Es por eso que la Pontificia Universidad Católica del Ecuador en colaboración con la Universidad Iberoamericana Ciudad de México se encuentran degradando aguas contaminadas con pesticidas y PCB´s (polivinilclorados), que han persistido en el ambiente durante muchos años, pretendiendo dejar residuos de nitrógeno y fosfato sustancias inocuas en el caso de pesticidas y la generación de una mínima cantidad de dióxido de carbono. El grupo de investigadores de ambas universidades se encuentran optimizando recursos y abriendo un campo de investigación amplio en la degradación de estos compuestos, minimizando al máximo el consumo eléctrico y abriendo una potencial ventana de inversión futura a las empresas de tratamiento de agua residual.

Referencias Bibliográficas

Chen, G., Electrochemical technologies in wastewater treatment. Separation and Purification Technology, 2004. 38(1): p. 11-41.

El-Shahawi, M.S., et al., An overview on the accumulation, distribution, transformations, toxicity and analytical methods for the monitoring of persistent organic pollutants. Talanta, 2010. 80(5): p. 1587-97.

Comninellis, C., Electrocatalysis in the electrochemical conversion/combustion of organic pollutants for waste water treatment. Electrochimica Acta, 1994. 39(11-12): p. 1857-1862.

Martínez-Huitle, C.A., et al., Single and Coupled Electrochemical Processes and Reactors for the Abatement of Organic Water Pollutants: A Critical Review. Chemical Reviews, 2015. 115(24): p. 13362-13407.

Hermann Berg (2008), "Johann Wilhelm Ritter – The Founder of Scientific Electrochemistry, “Review of Polarography, Vol. 54, No. 2, pp. 99-103.

Hershey, W. (1940). The Book of Diamonds (en inglés). Nueva York: Hearthside Press.

 

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Etiquetas: Análisis

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