Sensores detectan metales pesados en ríos y quebradas

 Para extraer oro o elaborar pigmentos y baterías se utilizan metales pesados como mercurio, cadmio y plomo que, sin un tratamiento adecuado, terminan afectando la calidad de ríos y quebradas, entre otros cuerpos de agua. Mediante la combinación de dos materiales, el grafeno y el bismuto, se diseñó una especie de sensor electroquímico con alta capacidad de detectar esos residuos industriales.

Según estudios del Ministerio de Ambiente y Desarrollo Sostenible, se han encontrado niveles de contaminación que sobrepasan lo permitido por la Ley 1658 de 2013, que establece que el mercurio no debe superar las 2 partes por billón (ppb), el cadmio 2,5 ppb y el plomo 10 ppb.

En el Laboratorio de Materiales y Catálisis de la Universidad Nacional de Colombia (UNAL) Sede Bogotá, el ingeniero químico Juan Alejandro Clavijo Morales construyó en 4 etapas pequeños electrodos capaces de funcionar como sensores versátiles para la detectar impurezas en aguas contaminadas por metales pesados.

La primera etapa consistió en extraer el grafito, en este caso de una batería reciclada, y sintetizar electrodos de aproximadamente 5 cm de largo; después acondicionó la superficie con una lija de óxido de aluminio de 2.500 granos de espesor.

Posteriormente sumergió los electrodos en un baño de agua con ultrasonido con el fin de obtener una superficie limpia, y por último cubrió uno de los dos extremos con una capa de 4 mm de diámetro con cinta de teflón blanco para que hiciera las veces de aislante.

Antes de realizar la electrodeposición, que es la combinación con el bismuto, activó el electrodo del grafito; en este caso, mediante la técnica de voltamperometría cíclica aplicó una corriente continua, entre 0,05 y 0,3 voltios con el dispositivo sumergido en una solución de ácido nítrico, para que funcione como electrolito de soporte.

Para aplicar la técnica de electrodeposición se adhirió superficialmente el bismuto en pequeñas concentraciones de 0 y 1,5 ml; dicho proceso se consigue introduciendo la varilla cilíndrica en una suspensión de electrodos a -0,5 voltios con una agitación electromagnética de 6 Hz durante 5 minutos; así logró una capa superficial del material como un efectivo proceso de síntesis o combinación de ambos metales.

Experimentación

Para medir la efectividad de esta síntesis se aplicó voltamperometría de despojamiento anódico de onda cuadrada (SWASV), proceso utilizado por su sensibilidad y selectividad en cuanto a la detección de elementos impuros en aguas.

Con la guía de su tutor, el profesor Hugo Ricardo Zea, del Grupo de Investigación en Materiales, Catálisis y Medioambiente de la Facultad de Ingeniería de la UNAL, realizó 15 experimentos con el software Mintab Statistical.

Para ello, introdujo los electrones en una agitación triplicada de 6 Hz y -0,5 voltios logrando una superficie de respuesta de 0,98 % de plomo a los 300 segundos (5 minutos) y 0,99 % para mercurio a los 160 segundos (2,6 min).

Todo esto se refleja en unas gráficas obtenidas con el programa informático Origin Pro, que detecta una “deconvolución de señales de oxidación de los materiales”, es decir que simplifica las señales de onda que detecta el metal, en una serie de picos que mide a cuantos voltajes y miliamperios.

Así, el electrodo detectó el plomo entre los 0,75 y 0,50 voltios a 60 miliamperios, y el mercurio de 0,00 y 0,50 voltios a casi 100 miliamperios.

“Esto demuestra que la composición del electrodo a pequeñas concentraciones tiene óptima sensibilidad al metal, haciéndolo funcional para la fabricación de sensores, que se lleven a campo para futuros estudios”, concluye el ingeniero Clavijo.