El agua dulce es uno de los recursos esenciales de nuestro planeta que la humanidad necesita gestionar y mantener cuidadosamente. El acceso a agua sana y no contaminada es un derecho humano fundamental. Desafortunadamente, existen muchos problemas de calidad del agua y el progreso tecnológico a menudo crea otros nuevos.

Por ejemplo, la floreciente industria farmacéutica genera cada vez más medicamentos para la salud humana y veterinaria que eventualmente terminan en corrientes de agua dulce. La concentración de antibióticos de amplio espectro, hormonas, antiinflamatorios no esteroides (AINE), beta-bloqueantes y reguladores de lípidos en sangre alcanza niveles peligrosos y sigue aumentando. La misma preocupación se aplica a los productos de cuidado personal: bactericidas/desinfectantes, repelentes de insectos, jabones, detergentes, fragancias y protectores solares.

La mayoría de estos contaminantes no suponen un riesgo inmediato para la salud, pero su acumulación en el cuerpo humano puede tener consecuencias a largo plazo aún desconocidas. La Agencia de Protección Ambiental de Estados Unidos (USEPA) y la Unión Europea (UE) identificaron varias sustancias químicas presentes en las aguas residuales y las colocaron en la lista de contaminantes prioritarios. Los futuros contaminantes emergentes en la lista incluyen sustancias tan omnipresentes como el ibuprofeno o el triclosán.

Otra clase de contaminantes novedosos está relacionada con la creciente demanda de productos electrónicos y vehículos eléctricos, de ahí la proliferación de baterías de iones de litio. Como parte del proceso de reciclaje, estarán disponibles grandes cantidades de cátodos, ánodos y electrolitos gastados; Se espera que el peso total estimado de las baterías gastadas sea de alrededor de un millón de toneladas en 2025. Desafortunadamente, la mayoría de los esfuerzos de recuperación están dirigidos a extraer y reutilizar metales valiosos (Co, Ni, Mn). Por otro lado, los cátodos de fosfato ferroso de litio, LFP, son de menor interés y en su mayoría terminan en aguas subterráneas a través de la ruta de los vertederos.

La descontaminación del agua de estos contaminantes es un proceso complejo y diversas tecnologías en plantas de tratamiento de aguas residuales tienen diferentes tasas de éxito para otros contaminantes. La búsqueda de mejores adsorbentes, preferiblemente aquellos que capturen y descompongan las moléculas dañinas, está en curso y representa un serio desafío social para la ciencia de materiales. Un examen de la lista de artículos científicos de BIOVIA muestra que muchos usuarios del software BIOVIA están contribuyendo activamente al desarrollo de nuevos materiales y tecnologías para la descontaminación del agua.

A continuación, se muestran algunos ejemplos recientes de estudios combinados experimentales y teóricos (V+R) que utilizaron BIOVIA Materials Studio para comprender las interacciones entre contaminantes y adsorbentes a nivel molecular.

CASOS DE ESTUDIO

Una colaboración internacional de científicos de la Technische Universität Berlin, la Universidad Maria Curie-Skłodowska en Lublin, la Universidad Tohoku en Japón y la Universidad Nacional de Uzbekistán sugirieron una mezcla de partículas de ZnS y SnO₂ como fotocatalizadores para la adsorción y degradación de muchos compuestos farmacéuticos nocivos. La simulación molecular de la degradación fotocatalítica requiere los módulos Materials Studio Adsorción Locator y Forcite. Las afinidades de adsorción calculadas con estas herramientas se correlacionan muy bien con las actividades fotocatalíticas observadas experimentalmente, por lo que este flujo de trabajo se puede utilizar para seleccionar y optimizar nuevos catalizadores (Journal of Alloys and Compounds 827 (2020) 154339, doi: 10.1016/j.jallcom.2020.154339)

Un equipo de Tokio, Qingdao en China y Sheffield han sido pioneros en otra técnica para la eliminación de contaminantes farmacéuticos, así como de colorantes orgánicos y fenoles. Utilizan una heterounión 2D/2D BiOBr/MoS₂ en forma de escamas estrechamente unidas para fotoactivar el peroximonosulfato (PMS), un material eficiente para la oxidación y eliminación de contaminantes orgánicos. El solucionador CASTEP del paquete Materials Studio ayudó a explicar las propiedades electrónicas y catalíticas de la heterounión. Este trabajo ahora se está convirtiendo en un proyecto piloto a gran escala para el tratamiento real de aguas residuales (Journal of Colloid and Interface Science 594 (2021) 635-649; doi: 10.1016/j.jcis.2021.03.066)

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