El futuro del agua es nano:
Cómo el grafeno revoluciona la filtración industrial.
Los materiales grafénicos son una familia nanoestructuras de carbono organizadas en un patrón hexagonal en forma de lámina y que a su vez se clasifican de acuerdo con el número de láminas, morfología y química superficial. Sin embargo, los más conocidos son, el grafeno, que en esencia se compone por átomos de carbono, famoso por su gran resistencia mecánica, entre muchas otras propiedades térmicas, eléctricas, etc., y, el óxido de grafeno que, además de carbono contiene grupos funcionales oxigenados que favorecen su interacción con el agua y otras sustancias.
En el sector de las tecnologías del agua, los materiales grafénicos están transformando el diseño de las barreras nanotecnológicas de filtración. Al integrarse en la modificación tanto de filtros como de membranas, el grafeno tiene como reto cumplir dos grandes objetivos: El primero es optimizar la selectividad, es decir, mejorar el control sobre los componentes que logran atravesar la barrera y los que son rechazados. Esto se consigue mediante la creación de nanocanales entre las láminas que limitan el paso de contaminantes por exclusión de tamaño, o bien, mediante mecanismos de adsorción química. El segundo objetivo es maximizar la eficiencia de filtración. Al incorporarse a la estructura, el grafeno refuerza las propiedades mecánicas de los polímeros base y aporta una notable resistencia al incrustamiento (antifouling). Como consecuencia, estas mejoras mitigan la caída de presión, mantienen un flujo de agua constante y reducen el consumo energético durante la operación del sistema.
¿Existen filtros y membranas únicamente de grafeno?
Un error frecuente es pensar que un material filtrante puede fabricarse únicamente con grafeno. Esto se debe a que, si bien esta familia de nanomateriales tiene forma de lámina, su tamaño es tan pequeño que, para para poder utilizarse como membrana o filtro, es necesario inmovilizarlos en un soporte poroso o incorporarlos dentro de una matriz polimérica. Por lo tanto, lo más conveniente es concebir a estas nanoestructuras como materiales capaces de modificar o complementar las propiedades de los materiales preexistentes, pero desde una perspectiva nano.
“Un nanómetro equivale a 0.000001 milímetros”
“La diferencia entre un filtro y una membrana radica en el tamaño de los poros, el mecanismo de separación de los contaminantes y la presión requerida para operar el sistema”
¿Cómo se integran los materiales grafénicos en un material filtrante?
En la carrera por alcanzar los objetivos, la comunidad científica ha estudiado diferentes métodos para incorporar el grafeno en filtros y membranas. Algunas metodologías son relativamente sencillas y rápidas, mientras que otras requieren procesos más complejos.
Los métodos reportados más comunes son:
1. Depósito por filtración
Consiste en preparar una dispersión de material grafénico a una concentración conocida, para después filtrarla con una membrana comercial (p.ej., polisulfona, poliamida, fluoruro de polivinilideno (PVDF), Polietersulfona (PES), celulosa o nylon). Durante el proceso, las nanopartículas del material grafénico se acomodan aleatoriamente formando una película idealmente continua sobre el polímero base.
2. Recubrimiento por inmersión
Consiste en introducir una membrana comercial, como las mencionadas en el método anterior, en una dispersión de material grafénico por determinado tiempo. La inmersión busca que las nanopartículas se adsorban en la membrana para formar una película.
Estos dos primeros métodos son probablemente los más utilizados en laboratorio. Son procedimientos sencillos y rápidos, pero con las desventajas de ser difícilmente escalables, poco estables y uniformes. Aunque con la ventaja de dar información relevante sobre el comportamiento de cada material.
3. Capa por capa
Con esta técnica se forman estructuras más ordenadas, ya que consiste en depositar capas intercaladas de material grafénico con carga positiva y negativa.
Entre sus ventajas está un excelente control del espesor, uniformidad y selectividad. De hecho, este método ha mostrado resultados interesantes para aplicaciones que requieren mayor selectividad y resistencia al ensuciamiento. Sin embargo, el proceso de fabricación es relativamente lento para producción masiva; requiere modificaciones químicas adicionales al nanomaterial para cambiar su carga y, la membrana puede ser tan compacta que el flujo de agua probablemente sea limitado.
4. Mezcla directa con polímeros
En términos industriales, este método es la alternativa con mayor potencial. En lugar de depositar el material grafénico en un producto terminado, la estrategia es aprovechar los procesos e infraestructura ya existente, para incorporar al nanomaterial durante la fabricación del material filtrante. De esta manera el grafeno queda integrado en toda la arquitectura del producto final desde su origen.
“El reto del grafeno no es demostrar si funciona o no dentro de un laboratorio, sino integrarlo a los procesos industriales”.
Del laboratorio al mercado
Afortunadamente, hoy, hablar del grafeno o de materiales grafénicos en aplicaciones reales ya no es un hito del futuro, de hecho, es una realidad que está transformando industrias. Tanto, que a partir de 2022 comenzaron a salir al mercado filtros industriales, cartuchos portátiles y sistemas de nanofiltración basados en grafeno para la purificación de agua y la eliminación de contaminantes. Sin embargo, aunque esta transición del laboratorio a la industria es un salto grande, aún son pocas las compañías que han logrado llevar esta tecnología para su producción industrial, por ejemplo:
- Clean TeQ Water (Australia): A través de su filial NematiQ, fabrica rollos de membranas de nanofiltración con óxido de grafeno,para plantas de tratamiento;
- Medica S.p.A. (Italia): Con un enfoque médico y doméstico opera mediante su línea Graphil;
- Icon Life Saver (Reino Unido): Desarrolló los cartuchos portátiles Graphene:Ultra, para la eliminación de metales pesados y químicos;
- GYC Group (Asia): Provee de filtros compuestos y aditivos de grafeno personalizados.
A pesar de estos casos de éxito, sigue siendo poca la oferta para una necesidad y demanda tan alta.
En este contexto, una investigación realizada en la Universidad Autónoma de San Luis Potosí (UASLP), bajo la dirección de la Dra. Mildred Quintana, estudió el potencial de diferentes combinaciones de materiales grafénicos para la filtración de agua.
El estudio titulado “Diseño de nanocompositos de grafeno para el desarrollo de membranas” se llevó a cabo como parte de una tesis doctoral de 2025. La investigación comparó el desempeño de heteroestructuras de óxido de grafeno y grafeno sintetizados en laboratorio, con su contraparte diseñada a partir de materiales producidos industrialmente por Graphenemex®.
La investigación se desarrolló en dos etapas. Primero, se diseñaron y estudiaron las heteroestructuras sintetizadas en laboratorio para obtener los datos de referencia y, posteriormente, se prepararon sus contrapartes con los materiales de Graphenemex®. Las heteroestructuras se inmovilizaron sobre soportes de PTFE y poliéster mediante filtración, para después evaluar su desempeño ante la permeación de agua, remoción de colorantes, rechazo de Na⁺ y Cl⁻, entre otras evaluaciones.
La comparativa entre ambos sistemas se hizo para determinar si los materiales producidos industrialmente por Graphenemex® podían reproducir los resultados ofrecidos por las heteroestructuras sintetizadas bajo condiciones controladas de laboratorio.
“Los materiales producidos por Graphenemex® conservaron la capacidad de interactuar y formar heteroestructuras funcionales”
Los resultados obtenidos son relevantes porque, dentro de los diferentes sistemas estudiados en la tesis, se alcanzaron selectividades superiores al 80 % y permeancias mayores a 2500 L/(m2·h·bar). Estos datos coinciden con otros estudios en los que membranas de GO depositadas sobre membranas de nylon han alcanzado rechazos superiores al 90 % para moléculas orgánicas.
Cabe aclarar que los resultados de la tesis no representan una membrana comercial terminada, pero sí forman parte de una etapa fundamental en el camino hacia su maduración tecnológica con ciencia y tecnología 100% mexicana. El siguiente paso es perfeccionar este conocimiento y trasladarlo a un entorno cada vez más relevante. En este caso, mediante la inmovilización de las heteroestructuras en un material filtrante.
En Graphenemex® nos sentimos muy orgullosos de la posibilidad de formar parte de una solución a una problemática tan importante a nivel global. El desarrollo de estas tecnologías no es solo un logro de ingeniería, es un compromiso con el planeta y las futuras generaciones.
