Depurar el agua con lo que la contamina utilizando nanotecnología sostenible

En este nuevo artículo de la serie de soluciones para la crisis del agua presentamos cómo los materiales producidos con nanotecnología por la startup española Smallops pueden contribuir a resolver la contaminación del agua. Existen varias iniciativas que utilizan la nanotecnología con el mismo objetivo. Por ejemplo, las nanoburbujas han dado buenos resultados en el tratamiento de aguas residuales por su capacidad de aireación, oxigenación, transferencia de gas y mejora de la oxidación, reduciendo la necesidad de utilizar químicos para tratar dichas aguas.

Lo que destaca de Smallops es que crea sus nanopartículas de manera sostenible y a partir de los residuos de la producción del aceite de oliva, en concreto del alpechín -líquido oscuro y fétido que resulta de la mezcla del agua utilizada para lavar las aceitunas y el agua de las propias aceitunas-. Y lo hacen a través de un modelo único de economía circular con doble beneficio. El alpechín tiene la capacidad de contaminar el agua, pero, gracias a la nanotecnología, en manos de Smallops la limpia.

El trabajo de Smallops responde a lo que se conoce como cleantech, tecnologías limpias que promueven la sostenibilidad y contribuyen a la descarbonización. La apuesta por estas tecnologías cada vez es mayor. La previsión de la Agencia Internacional de la Energía (AIE), publicada en su informe Energy Technology Perspectives 2023, es que el mercado global para la tecnología verde moverá alrededor de 650.000 millones de dólares al año para 2030. Esta cifra es el triple del volumen de negocio actual, pero para ello los países deben implementar sus compromisos anunciados en materia de energía y clima.

La Península Ibérica tiene el potencial para convertirse en líder en el sector de las energías limpias en Europa e iniciativas como Cleantech for Iberia -que reúne a innovadores, inversores y gobiernos- están trabajando con ese objetivo.

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Aguas contaminadas

La escasez no es el único problema que enfrentamos en relación con el agua. Su contaminación -tanto de aguas subterráneas como superficiales-, y los riesgos que ello conlleva para el medio ambiente y la salud humana también son motivo de preocupación.

En España, la contaminación de aguas subterráneas se debe, principalmente, a los vertidos urbanos e industriales, a la infiltración de fertilizantes procedentes de la agricultura intensiva y a los excrementos del ganado. La agricultura intensiva, en particular, produce elevados índices de nitratos en las aguas superando en algunas zonas lo permitido por la legislación y alcanzando niveles perjudiciales para la salud humana.

Según el Informe sobre Calidad de las Aguas 2010-2022, publicado este año por el Ministerio para la Transición Ecológica y el Reto Demográfico, en 2022 el 33% de las estaciones de aguas subterráneas en España contenían más de 37,5 mg -máximo legal- de nitrato de origen agrario. Las demarcaciones hidrográficas con más estaciones sobrepasando el límite legal son Segura, Guadiana, Islas Baleares, Distrito Cuenca Fluvial Cataluña y Duero.

Los plaguicidas debido al uso de productos fitosanitarios en la agricultura también contaminan el agua y afectan sobre todo a las aguas superficiales (ríos, lagos y embalses). Las estadísticas señalan que las mayores concentraciones de plaguicidas se encuentran en las demarcaciones hídricas de Guadalquivir, Segura y Guadiana.

La producción de aceite de oliva genera unos residuos altamente contaminantes para el agua si no se tratan antes de verterlos al sistema hidráulico público. Dichos residuos son el alpechín y el alperujo -mezcla del alpechín con el hueso, la pulpa, la piel y los restos grasos de la aceituna-. En España, la contaminación de las aguas por la industria del aceite de oliva ya no es un problema como lo fue hasta hace unas décadas. Ahora, como apunta Manuel Juan Caravaca, presidente de la Asociación Española de Maestros y Operarios de Almazara, está muy regulado por la ley y todas las almazaras -lugar donde se produce el aceite de oliva- tienen balsas donde se acumulan los residuos. Estos, tras los controles requeridos, a menudo se reutilizan para regar por lo que Caravaca prefiere llamarlos subproductos. Pero en países productores de aceite de oliva con menos controles medioambientales puede ser un desafío.

Los residuos -o subproductos- suponen el 80% de lo extraído en la producción de aceite siendo el 20% restante el propio aceite. El paso del sistema tradicional de prensa para producir el aceite a un método de centrifugación ha contribuido al aumento de los residuos en contrapartida a un mayor rendimiento en la extracción del aceite. Ello requiere más capacidad para su gestión por parte de las almazaras y las orujeras -lugar donde se extrae el orujo, que es el aceite de inferior calidad extraído de la aceituna ya prensada y molida-. Por cada litro de aceite, se producen cinco litros de residuos. Así, si se cumplen las previsiones del Ministerio de Agricultura, Pesca y Alimentación, la producción de 765.300 toneladas de aceite de oliva en España para la campaña 2023-2024 generará más de 3,8 millones de toneladas de residuos.

Esto motivó la fundación de Smallops en marzo de 2020, justo antes de que se desencadenara la pandemia. La idea llevaba dando vueltas desde 2018 a partir del trabajo final de grado del ingeniero químico Rubén Escudero. El conocimiento científico de Escudero junto al del mercado y al de la gestión de proyectos medioambientales de sus ahora socios Iñigo Monreal y María Jara, ambos con formación empresarial especializada en emprendimiento, liderazgo e innovación, los animó a fundar la startup con sede en Badajoz y con el objetivo de desarrollar un proceso de gestión de residuos oleícolas creando productos de alto valor añadido con aplicaciones medioambientales.

Desde entonces han tenido varios reconocimientos. En 2022, cuando sus fundadores tenían 27, 24 y 23 años, la revista Forbes los nombró entre los creadores de productos y materiales del mañana con menos de 30 años, y en 2024 los incluyó en su lista de Los 24 changemakers. Este año también quedaron finalistas en la cuarta edición de los Reconocimientos Go!ODS, galardones que apoyan proyectos innovadores que contribuyen a los Objetivos de Desarrollo Sostenible de Naciones Unidas en España organizado por el Pacto Mundial de la ONU España y Fundación Rafael del Pino.

Nanotecnología sostenible

Las OPS son las nanopartículas de hierro encapsuladas en una matriz de carbono. Para los lectores científicos es importante añadir que el carbono es estructural (amorfo y grafito) y el hierro es de valencia cero. A los lectores no expertos quizá les interese más saber que el nombre OPS proviene de la mitología romana. OPS era una diosa de la fertilidad y la tierra, y en latín significa abundancia. ‘Pequeña abundancia’ es el espíritu que habita en Smallops, donde algo tan pequeño como las nanopartículas puede generar riqueza, como explica Escudero, director técnico de la empresa.

Son muchos los avances que se están haciendo en nanotecnología, pero los procesos de crear nanopartículas no siempre son sostenibles. En Smallops han conseguido crear las nanopartículas de hierro de manera sostenible a partir del alpechín. Lo que lo hace sostenible no es únicamente que suponga una reutilización de un residuo natural, sino el tratamiento al que se somete el alpechín.

La técnica utilizada es la carbonización hidrotermal. En lenguaje llano, se trata de calentar en un recipiente cerrado un líquido con un material orgánico -en este caso procedente del alpechín que Smallops obtiene de la empresa Troil Vegas Altas S. C. dedicada a gestionar los residuos de almazara-. Imagínese una olla a presión. Al estar cerrada evita que se evapore el agua y la presión que se forma cuando se llega al punto de ebullición hace que los compuestos de carbono en el alpechín se descompongan en compuestos más pequeños. Estos compuestos de carbono más pequeños se depositan sobre los núcleos de hierro presentes en el medio de reacción formando una especie de cápsula.

Este método para la creación de nanopartículas es más sostenible que otros porque permite el aprovechamiento casi completo del carbono contenido en la materia orgánica o biomasa. En otros procesos la proporción de carbono rescatada de la biomasa es más bajo y lo que no se rescata es emitido a la atmósfera en forma de dióxido de carbono (CO2) o de metano, ambos gases de efecto invernadero. Este método también hace la nanotecnología más eficaz ya que las partículas resultantes tienen más cantidad de carbono y por tanto más potencia para el uso que se les dé.

Además, en este caso, esta técnica elimina la toxicidad del alpechín.

Las OPS, además de para descontaminar el agua, tienen otras aplicaciones como la producción de biogás y biometano, limpiar corrientes gaseosas, mejorar productos agronómicos como los fertilizantes, y mejorar nuevos materiales para la construcción y fibras textiles, entre otros. De hecho, desde septiembre de 2023, la empresa GS Inima Environment está utilizando las OPS a escala real en la Estación Depuradora de Aguas urbanas de la UTE Aljarafe obteniendo un aumento medio del rendimiento de producción de biogás del 21%.

Depurar el agua

Una vez creadas, las nanopartículas de hierro encapsulado en carbono tienen la capacidad de depurar el agua contaminada de metales, pesticidas y compuestos farmacéuticos y sulfurados. El tamaño tan pequeño de las partículas favorece su contacto con los contaminantes en el agua que se quedan adheridos a unos poros en su superficie. Este proceso de adhesión es favorecido por la capacidad magnética del hierro y también está determinada por el tamaño y cantidad de los poros y la química de la superficie.

Para poder utilizarlas para descontaminar las aguas las nanopartículas se presentan en materiales con dos formatos: en polvo y en malla.

Actualmente están en fase piloto y de experimentación, pero ya existen algunos resultados. A nivel operacional la malla está presentando más ventajas que el polvo. Es más versátil para quitar y poner, y se puede usar en lugares como tuberías donde el polvo es fácil que se pierda. Además, la malla se puede lavar y reutilizar. Una desventaja es que su producción es más costosa. Y, aunque evita perder material, la eficiencia de la malla es más reducida ya que algunas de las partículas que la forman no están en contacto con el agua.

En la fase de experimentación también se trata de comprobar la eficacia de los productos dependiendo de los contaminantes. Los experimentos se están centrando en cómo los productos reaccionan ante pesticidas, herbicidas, fármacos y la recuperación de metales de las aguas. “Aunque haya productos que funcionen en general para todo, siempre van a funcionar mejor para ciertas cosas y en ciertos casos”, afirma Escudero. Según los estudios realizados hasta el momento, las nanopartículas de Smallops consiguen eliminar el 50% de contaminantes como la cafeína, el fármaco diclofenaco (antiinflamatorio) y los plaguicidas atrazine, carbendazim y thiamethoxam en 120 minutos.

Otro resultado es que la malla funciona mejor con algunos contaminantes que con otros y que su eficacia depende del tratamiento utilizado. “Lo que tenemos claro es que para fármacos, plaguicidas, herbicidas y pesticidas funciona muy bien aplicando el producto en un tratamiento de oxidación avanzada”, añade Escudero. En este caso, el producto actúa como catalizador, degradando el contaminante en lugar de atraparlo gracias a la reacción química producida por una fuente de luz.

En esta fase de experimentación Smallops cuenta con la colaboración de la Plataforma Solar de Almería, que forma parte del Centro de Investigaciones Energéticas, Medioambientales y Tecnológicas (Ciemat), donde se está probando la malla en situación real.

La colaboración con la Plataforma introduce un elemento importante para el funcionamiento de las nanopartículas: el sol. Como apunta Sixto Malato, químico, profesor de investigación en el Ciemat y especialista en descontaminación de agua mediante procesos de oxidación avanzada en el Plataforma Solar de Almería, “la luz -en este caso del sol- produce una reacción química sobre el hierro de las nanopartículas produciendo radicales oxidantes que hace que los contaminantes atrapados por los materiales con las nanopartículas se degraden”. El uso de la luz, bien del sol o de una lámpara, puede ser una posible respuesta a qué hacer con los contaminantes atrapados por las nanopartículas.

Mirando al futuro

Escudero se muestra optimista con los avances hasta el momento y espera poder experimentar el producto a escala real en tres años. Su objetivo a corto y medio plazo es que las nanopartículas se puedan utilizar en industrias y plantas depuradoras, aunque no descarta que en un futuro se puedan emplear en los hogares.

Pero, “para avanzar se necesita tiempo y financiación”, dice Escudero. Respecto a lo económico, cuentan con subvenciones I+D, colaboraciones con centros públicos como la Plataforma Solar de Almería, y con su propia financiación. También, desde el principio y razón por la que la empresa se fundó en Badajoz, reciben apoyo de la Universidad de Extremadura, en concreto de Fundecyt-Pctex y de Metanogenia SL, que les ceden espacio en sus instalaciones y les permiten utilizar algunos de sus equipos.

Para Francisco Cuadro, director de Metanogenia, empresa promovida por académicos de la Universidad de Extremadura con el objetivo de mejorar la obtención de biogás, Smallops ha apostado por una tecnología que actualmente no existe en el mercado y que puede generar nuevos modelos de negocio escalables, lo que puede contribuir al objetivo de Metanogenia y beneficiar enormemente al sector.

Pero, como apunta Escudero, el mercado del agua en España es complicado para empresas como Smallops porque es un sector gestionado principalmente de manera pública, lo que implica licitaciones, concursos y plazos muy largos. También, la legislación es muy estricta y pone límites a las innovaciones que pueden hacer. “Si la ley no dice que hay que eliminar nuevos contaminantes del agua, las empresas no van a invertir en ello a menos que lo necesiten para su propia actividad”, señala Escudero. En este sentido, “la legislación va por detrás porque, lógicamente, no incluye contaminantes que se han descubierto recientemente”, añade.