Minerals, ceràmica i purificació d’aigües

Accedir a l’aigua potable no és una tasca fàcil per a moltes persones del nostre món. Segons els darrers informes d’UNICEF i l’OMS, 2.200 milions de persones es troben en aquesta situació. És difícil saber si aquesta preocupant circumstància s’ha mantingut en aquestes proporcions al llarg de la història o, com tants d’altres desequilibris socials i econòmics, és fruit de la vigent forma de capitalisme postcolonial (o potser ben colonial) que no sembla conduir de cap manera a una equitativa distribució dels recursos i la riquesa en el planeta.

Fernando Mazariegos és una d’aquestes persones que, sense haver assolit cap nivell de fama que el faci mundialment conegut, mereix, no obstant, tot el reconeixement per la important contribució que va fer, precisament, perquè milers, o possiblement milions de persones, tinguin més fàcil l’accés a aigua potable. Químic farmacèutic per la Universitat de San Carlos de Guatemala, mentre treballava al Instituto Centroamericano de Investigación y Tecnología Industrial (ICAITI) va idear, als anys 1980, un dispositiu senzill i econòmic que permet filtrar i purificar entre 1 i 2 litres d’aigua per hora, simplement per gravetat, sense aplicar cap pressió addicional. Tal com ell mateix explica en aquest vídeo, es tracta d’una modalitat de filtre ceràmic, és a dir, amb una base de material argilós, que incorpora el poder adsorbent del carbó actiu, format en el mateix procés de cocció a partir de serradís de fusta de pi, i la capacitat germicida de la plata col·loidal. La innovació no és posar en joc els tres elements actius del sistema (aluminosilicats, carbó actiu i plata col·loidal), que ja eren coneguts, sinó haver trobat un procés de fabricació pràctic que permet conjuntar-los fàcilment en un dispositiu accessible per a tota la població. Es va triar, per a aquest filtre, el nom comercial d’ecofiltre i així es pot comprar fins avui dia a gran part del món, a més de moltes variants basades en els mateixos principis i amb materials similars però diversos. 

Un sistema antic

La utilització de materials ceràmics (o de substàncies precursores naturals com els silicats o aluminosilicats) amb finalitats de purificació d’aigua es remunta a èpoques molt antigues de la història. A Europa, una de les cites més antigues que han quedat escrites data de l’any 77 dC i correspon a Plini el Vell. Diu aquest autor, conegut per la seva gran obra Història Natural, que l’addició d’argila, pedra calcària o també polenta (farina de blat de les índies) a una aigua bruta permet la seva clarificació i potabilització. Molt abans, uns 2.000 anys aC, a escriptures ayurvèdiques de l’Índia com el Sus’ruta Samhita, hi trobam referències a tractaments d’aigua a base de filtracions per filtres d’arena o grava (no necessàriament de naturalesa silícia) o per addició de materials vegetals com les llavors de la planta que avui coneixem com a Strychnos potatorum.

“La utilització de materials ceràmics (o de substàncies precursores naturals com els silicats o aluminosilicats) amb finalitats de purificació d’aigua es remunta a èpoques molt antigues de la història”

Un recent descobriment d’un equip d’investigadors de la Universitat de Cincinnati (K. B. Tankersley et al., 2020) fa retrocedir en el temps el primer ús conegut d’aluminosilicats amb finalitats de filtració i purificació d’aigua. Es tracta d’un sistema de filtració a través de capes de zeolites i quars cristal·lí trobat a l’antiga ciutat maia de Tikal, a l’actual Guatemala. Segons els autors de l’estudi, aquest sistema fou emprat entre els anys 235 aC i el 985 dC i seria el sistema més antic de purificació d’aigua conegut fins ara al continent americà i el més antic del món basat en la capacitat filtrant i adsorbent de les zeolites.

L’estructura de les zeolites està constituïda per una combinació de tetraedres d’oxigen amb àtoms de silici o alumini situats al seu centre i cations positius com el sodi per compensar la càrrega. Completen la xarxa tridimensional les molècules d’aigua, presents en les formes naturals hidratades. La porositat i la capacitat d’intercanvi catiònic fan d’aquest mineral un excel·lent material per retenir contaminants de l’aigua, tant per exclusió segons volum molecular (efecte purament de retenció a causa de la petita mida dels porus) com per adsorció o intercanvi iònic. En virtut d’aquestes propietats, tant contaminants orgànics com metalls en les seves formes catiòniques poden ser capturats i separats de l’aigua. Altres aluminosilicats, englobables en la denominació general d’argiles, comparteixen total o parcialment aquestes propietats i, amb tractaments especials poden optimitzar-se. Quan aquests tractaments impliquen la cocció a elevades temperatures (generalment superiors als 700 ºC), parlam ja de materials ceràmics.

A falta de més dades històriques fefaents, el que podem considerar com el precedent més immediat del filtre ceràmic de Mazariegos és el filtre que va idear i materialitzar el ceramista John Doulton a Anglaterra l’any 1837. El filtre Doulton, comercialitzat precisament per purificar l’aigua de beguda, es basava en la capacitat adsorbent de la terra de diatomees, constituïda per les minúscusles closques silícies d’algues diatomees, i va comptar amb una entusiàstica acollida per part de la reina Victòria, que el va adoptar com a sistema de purificació de l’aigua de la casa reial. Avui dia, els filtres Doulton, com l’»ecofiltre» de Mazariegos, incorporen també plata col·loidal per assegurar la desinfecció de l’aigua filtrada. Val a dir que la terra de diatomees ja no és un material emprat de forma habitual degut als seus efectes tòxics per via pulmonar, de forma similar a l’asbest.

El repte de la desinfecció

Les zeolites i altres materials ceràmics, per la seva capacitat adsorbent poden retenir microorganismes  fins a un cert punt, no obstant, sense intensificar l’efecte biocida afegint additius adequats, els filtres ceràmics de porositat compatible amb la filtració per gravetat, no permeten una desinfecció segura de l’aigua. I és aquí on la plata col·loidal, és a dir, en forma de nanopartícules (aproximadament entre 1 i 100 nm) permet afegir l’imprescindible efecte desinfectant a l’estructura dels filtres ceràmics. Malgrat l’avantatge que això suposa per millorar la qualitat microbiològica de l’aigua cal tenir en compte que l’eficàcia final dependrà de les característiques concretes de les partícules de plata i de la forma com queden lligades al filtre. Com que la plata és cara i l’eliminació de tots els microorganismes no està, a priori, garantida s’estan estudiant i provant modificacions en el procés de fabricació de les nanopartícules de plata així com altres materials per optimitzar la capacitat desinfectant.

Una de les estratègies de síntesi de nanopartícules de plata que evita la utilització de reactius cars i tòxics és la reducció dels cations Ag⁺ amb extractes vegetals. És la denominada síntesi “verda” de nanopartícules de plata.  D’aquesta forma no només es modula la forma i mida de les partícules sinó que també poden obtenir-se diferents graus de selectivitat i intensitat de la capacitat adsorbent i desinfectant.  

“Una de les estratègies de síntesi de nanopartícules de plata que evita la utilització de reactius cars i tòxics és la reducció dels cations Ag⁺ amb extractes vegetals”

L’òxid de zinc (ZnO) és un dels materials que, combinat amb plata millora, a part del cost, l’eficàcia microbicida afegint-hi efectes fototòxics. El lantà també és un catió amb el qual es poden recobrir les superfícies ceràmiques (suposadament després del tractament tèrmic aquest element queda enllaçat a l’estructura de l’aluminosilicat) millorant l’eficàcia desinfectant respecte dels recobriments amb plata. També és objecte d’estudi, com a complement biocida dels filtres ceràmics, el nitrur de carboni grafític per les seves propietats fotocatalítiques i bactericides. 

Respecte de la capacitat d’eliminar virus no hi ha cap substància aplicada als filtres ceràmics que garanteixi una eliminació total de qualsevol virus patogen, no obstant, s’ha provat l’eficàcia del lantà, l’hidroxiapatita i l’alúmina sobre el bacteriòfag MS2 i, en el cas del coure, també sobre adenovirus.

Queda pendent l’important aspecte de la seguretat de tots aquests materials, per a alguns dels quals no hi ha les dades experimentals necessàries per fer-ne una avaluació concloent. La plata, el més emprat i generalitzat, té fixat per l’OMS el nivell guia provisional de 0,1 mg/l i, per tant, qualsevol sistema de filtració que l’incorpori hauria de poder certificar que l’aigua tractada no sobrepassa aquest nivell.

Amb tot, la combinació de capacitat filtrant, adsorbent, d’intercanvi iònic i desinfectant fa que tots aquests dispositius que l’oferta comercial posa al nostre abast siguin potencialment útils per millorar la qualitat de l’aigua que consumim. Sempre i quan els problemes que volem solucionar de l’aigua justifiquin el tractament i els dispositius purificadors emprats ens ofereixin les garanties suficients de seguretat, cosa que, sense el corresponent certificat de qualitat mai no ho hauríem de donar per fet.