Mejora y optimización para la eliminación eficiente de iones de níquel mediante carbón activado modificado

Por qué importa eliminar metales del agua

El níquel se utiliza ampliamente para fabricar baterías, electrónica y recubrimientos metálicos brillantes, pero cuando se filtra a ríos y aguas subterráneas se convierte en un contaminante persistente. Puede dañar órganos, alterar el ADN y acumularse en peces y cultivos que luego consume la población. Muchas fábricas tienen dificultades para quitar el níquel disuelto de sus aguas residuales de forma eficaz y económica. Este estudio explora un material filtrante de bajo coste y reutilizable, hecho a partir de carbón activado tratado especialmente para retener iones de níquel con mayor fuerza, ofreciendo una solución práctica para proteger el agua potable y el medio ambiente.

Convertir el carbón común en una esponja más inteligente

Los investigadores partieron de carbón activado comercial, un carbón poroso ya empleado en muchos filtros. Tratándolo con una mezcla conocida como solución de Fenton —peróxido de hidrógeno y una sal de hierro en medio ácido— grabaron y oxidaron la superficie. Este proceso creó lo que denominan carbón activado modificado, o CAM, que presenta una mayor área superficial interna y muchas más funciones químicas que contienen oxígeno. Esas funciones actúan como pequeños ganchos que pueden unirse a iones metálicos disueltos. Ensayos con infrarrojo, adsorción de gases y microscopía electrónica confirmaron que el nuevo material desarrolló una estructura altamente porosa, similar a una esponja, con rasgos a escala nanométrica y abundantes sitios reactivos.

Encontrar la mejor receta para capturar níquel

Tener un buen material no basta; también importa cómo se usa en el agua. El equipo varió sistemáticamente cuatro condiciones clave: el tiempo de contacto del agua con el CAM, la acidez (pH), la cantidad de CAM presente y la concentración de níquel. Utilizando un enfoque estadístico llamado metodología de superficie de respuesta, realizaron 54 experimentos cuidadosamente seleccionados y construyeron un modelo matemático que predice cuánto níquel puede eliminarse bajo cualquier combinación de estas variables. El modelo coincidió muy bien con las mediciones y mostró que la cantidad de CAM usada por litro de agua es el factor más importante, seguida de la concentración inicial de níquel. Las mejores condiciones resultaron ser un agua muy ácida (pH 1), 150 minutos de contacto, una dosis relativamente pequeña de CAM de 0,2 gramos por litro y una concentración de níquel de 125 miligramos por litro.

Cómo se fija el níquel dentro del filtro

Para entender lo que ocurre a escala microscópica, los investigadores siguieron la velocidad de captura del níquel y cómo se distribuía en la superficie del CAM. Los datos dependientes del tiempo se ajustaron a un tipo de modelo cinético que apunta a la «quimisorción», lo que significa que el níquel forma enlaces más fuertes y específicos en lugar de una mera atracción física débil. Las pruebas de equilibrio mostraron que el comportamiento es consistente con la formación de una capa principalmente monomolecular sobre diversos tipos de sitios dentro de los poros. Una tercera línea de análisis sugirió que la unión implica intercambio iónico e interacciones electrostáticas, en las que los iones de níquel sustituyen a otras especies cargadas en la superficie del carbón. En conjunto, estos hallazgos dibujan un escenario de fijación química estructurada del níquel más que de simple adhesión casual.

Reutilizar el filtro y calcular el coste

Cualquier tratamiento real debe ser asequible y reutilizable. El equipo sometió al CAM a cinco ciclos repetidos de captura de níquel y enjuague con ácido. Aunque el rendimiento disminuyó algo, el material siguió eliminando la mayor parte del níquel tras varios usos, manteniendo alrededor del 85 % de su capacidad original. Un análisis de coste sencillo, basado en precios locales del carbón y los químicos más la electricidad para el agitado, mostró que producir un kilogramo de CAM cuesta menos de un dólar estadounidense, más barato que muchos carbones activados comerciales. Ese precio reducido, combinado con un buen rendimiento, lo hace atractivo para plantas de tratamiento de aguas residuales a gran escala.

Qué significa esto para un agua más segura

En términos claros, el estudio demuestra que una forma modificada y económica de carbón vegetal puede extraer grandes cantidades de níquel tóxico del agua, una y otra vez, mediante pasos de tratamiento sencillos. Afinando condiciones como la acidez, el tiempo de contacto y la cantidad de material utilizada, los ingenieros pueden alcanzar niveles de eliminación muy altos con cantidades relativamente pequeñas de CAM. Debido a que el material es barato, resistente en corrientes ácidas y regenerable, ofrece una opción atractiva para fábricas y municipios que buscan reducir la contaminación por metales pesados antes de que alcance ríos, suelos y la cadena alimentaria.

Cita: Abdel-Moniem, S.M., Mohammed, R., Ibrahim, H.S. et al. Enhancing and optimization for efficient removal of nickel ions by modified activated carbon. Sci Rep 16, 12700 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-46490-1

Palabras clave: eliminación de níquel, carbón activado, tratamiento de aguas residuales, metales pesados, purificación de agua