El acceso a agua potable limpia es un problema constante para las personas en los países en vías de desarrollo. Incluso aquellas ciudades con buenos sistemas de tratamiento de aguas están a la búsqueda de mejores formas de distribuir agua más segura y limpia. Un equipo de investigación internacional acaba de desarrollar un fotocatalizador que promete la desinfección rápida y efectiva del agua mediante el uso de la luz solar o luz artificial. El más, el fotocatalizador sigue funcionando después de que la luz se apague, desinfectando el agua incluso en la oscuridad.

Desde hace tiempo se sabe que la irradiación de agua con luz ultravioleta de alta intensidad mata las bacterias. Algunos filtros de agua para excursionistas y campistas, por ejemplo, utilizan esta tecnología. Los investigadores han estado trabajando para mejorar la efectividad del método mediante la incorporación de un fotocatalizador que se activa con la luz UV y genera unos componentes químicos reactivos que descomponen los microbios en dióxido de carbono y agua.

El nuevo fotocatalizador mejora todo esto gracias al uso de luz visible, en vez de luz UV. Sintetizado por Jian-Ku Shang, profesor de ciencias de los materiales e ingeniería en la Universidad de Illinois, en Urbana-Champaign, y sus colegas, el fotocatalizador funciona con luz dentro del espectro visible—ondas de luz entre 400 y 550 nanómetros. Consiste de fibras de óxido de titanio—un material común utilizado como pigmento blanco—dopadas con nitrógeno para hacer que absorban la luz visible. Por si solo, el óxido de titanio dopado con nitrógeno mata las bacterias, aunque no de forma eficiente. Los investigadores han añadido nanopartículas de paladio a la superficie de las fibras, lo que aumenta enormemente la eficiencia de la desinfección. Él y sus colegas en el Laboratorio Nacional Shenyang de Ciencias de los Materiales en China publicaron su trabajo online en Journal of Materials Chemistry.

“Sería muy bueno poder cambiar la actividad de los materiales fotocatalizadores tradicionales, que sólo se activaban con radiación ultravioleta, y hacer que funcionen con luz visible,” afirma Alexander Orlov, profesor asistente de ciencias de los materiales e ingeniería en la Universidad Stony Brook de Nueva York. “Si observamos el espectro solar, contiene sólo un 5 por ciento de ultravioleta y alrededor de un 46 por ciento visible.” Este tipo de fotocatalizadores también permitirían una utilización más eficiente de la energía solar, además de un uso en interiores, puesto que la luz fluorescente contiene muy poca luz ultravioleta.

Shang y sus colegas pusieron a prueba el fotocatalizador mediante su colocación en una solución con una alta concentración de bacteria E. coli, y después enfocaron una lámpara halógena sobre dicha solución durante periodos de tiempo distintos. Después de una hora, la concentración de bacterias bajó de 10 millones de células a sólo una célula por cada 10.000 litros.

Los investigadores también pusieron a prueba la capacidad del fotocatalizador para desinfectar en la oscuridad. Hicieron brillar luz sobre las fibras durante 10 horas para simular la exposición a la luz diurna, y después las almacenaron en la oscuridad durante varios periodos de tiempo. Incluso después de 24 horas, el fotocatalizador aún seguía matando bacterias. De hecho, sólo fueron necesarios unos minutos de iluminación para hacer que el fotocatalizador permaneciese activado durante todo ese periodo de tiempo.

“Normalmente, con los fotocatalizadore, la actividad se detiene casi de forma instantánea cuando la luz se apaga,” afirma Shang. “Las especies químicas que se generan sólo duran unos pocos nanosegundos. Esto es un problema intrínseco de cualquier sistema de fotocatálisis, puesto que en esencia se requiere la activación de luz constante.”

Las partículas de paladio aumentan la potencia del fotocatalizador de dos formas. Cuando los fotones alcanzan el material, crean pares de cargas positivas y negativas—agujeros y electrones. Los agujeros con carga positiva sobre la superficie del óxido de titanio dopado con nitrógeno reaccionan con el agua para producir radicales de hidróxilo, que después atacan a las bacterias. “Lo que hacen las nanopartículas de paladio es llevarse los electrones para que la mayoría de agujeros producidos sean capaces de sobrevivir sin ser neutralizados por los electrones,” afirma Shang.

Tan pronto como agarran los electrones, las nanopartículas entran en un estado químico distinto y almacenan las cargas negativas. “Cuando la luz se apaga, esa carga se libera lentamente, y esa liberación lenta es lo que nos proporciona el efecto de memoria,” señala Shang. “Esa carga puede reaccionar con las moléculas de agua para producir agentes oxidantes de nuevo.” Afirma que las nanopartículas de otros metales de transición, como la plata, también aumentan la efectividad del fotocatalizador.

El fotocatalizador ofrece la posibilidad de desinfectar a potencia total durante el día y después seguir funcionando durante la noche o durante cortes eléctricos. Además, y puesto que la desinfección tiene lugar de forma rápida, los sistemas podrían diseñarse para limpiar grandes volúmenes de agua exponiéndola a la luz al tiempo que fluye a través de tuberías, señala Shang.