Síntesis de nanopartículas a partir de residuos agrícolas: un enfoque sostenible

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1. Introducción

El modelo económico e industrial actual se denomina  de producción-uso-disposición, es  lineal en el mismo los recursos se pierden después de su utilización; lo que genera pérdidas. Estos modelos lineales están expuestos a fluctuaciones de precios y acceso a materias primas y contribuyen a la degradación del medio ambiente; sin embargo, el modelo circular es restaurativo y regenerativo ya que tiene como objetivo mantener los productos, componentes y materiales en su mayor utilidad y valor en todo momento.

La economía circular se sostiene en tres principios: eliminar los desechos y la contaminación desde el principio, mantener los productos y materiales en uso y regenerar los sistemas naturales. Estos preceptos instan a reevaluar la percepción de los ‘residuos’, transformándolos en valiosos insumos. Tal es el caso de la cáscara de arroz, un residuo agrícola importante que resulta de la molienda del arroz, el grano más consumido en todo el mundo. Dada su relevancia cultural y económica, con más del 50% de la población mundial utilizándolo como componente principal de la dieta, las cantidades de cáscara de arroz producidas son enormes, evidenciando el potencial para su reincorporación productiva en un modelo circular.[1]

Por otro lado, los métodos de síntesis ecológica ofrecen una solución viable al utilizar materiales de origen biológico, como microorganismos, plantas y residuos agrícolas, como fuentes ecológicas para la síntesis de nanopartículas [2].

2.  Residuos Agrícolas y nanopartículas

Los residuos agrícolas constituyen una biomasa heterogénea y compleja con una composición química que los convierte en materias primas ideales para la síntesis verde de nanopartículas. Su valor reside en la sinergia entre sus componentes estructurales y sus metabolitos bioactivos.

Los componentes que se describen a continuación forman la estructura física de los residuos y, aunque no son los principales actores en la reducción metálica, pueden contribuir a la estabilización de las nanopartículas.

  • Celulosa: Es un polímero lineal de glucosa y el componente estructural principal de la pared celular vegetal. Sus cadenas poliméricas, ricas en grupos hidroxilo (-OH), pueden actuar como agentes estabilizantes moderados y andamios para la nucleación de nanopartículas.
  • Hemicelulosa: Polímero amorfo y ramificado de diversos azúcares (xilosa, manosa, glucosa, etc.). Su naturaleza heterogénea y la presencia de múltiples grupos funcionales (-OH, -COOH) le confieren una alta capacidad de adsorción y puede participar en la coordinación con iones metálicos.
  • Lignina: Polímero aromático tridimensional complejo y altamente recalcitrante. Es particularmente valiosa porque su estructura contiene una abundancia de grupos fenólicos y alcohólicos, lo que la convierte en un potente agente reductor y estabilizante natural para la formación de nanopartículas, especialmente de metales nobles como la plata y el oro. [3, 4 y 5]

Las Nanopartículas (Figura 1) se definen como partículas de materia con al menos una de sus dimensiones externas en la escala nanométrica, es decir, entre 1 y 100 nanómetros (nm) [14]. Un nanómetro (nm) equivale a la milmillonésima parte de un metro (10⁻⁹ m), una escala donde las propiedades de la materia dejan de ser gobernadas exclusivamente por las leyes de la física clásica y comienzan a manifestarse los efectos cuánticos.

Figura 1. Nano partícula de  SiO2 (Fuente: Propia).

Las nano partículas de sílice se utilizan en detergentes, adhesivos, pesticidas, cerámica, medicamentos y refinerías de aceite vegetal, cromatografía e inhibición de la corrosión. La sílice esférica es muy útil en la industria del embalaje gracias a su aislamiento eléctrico y térmico y a su bajo coeficiente de expansión térmica. La estructura jerárquica del micro/macropolvo de sílice esférica lo hace ideal para aplicaciones médicas, biológicas y catalíticas. [13 y 15]

3. Mecanismos de la síntesis

Los procesos termoquímicos empleados en la conversión de la cáscara de arroz en materiales precursores valiosos, como la ceniza de cáscara de arroz, también plantean numerosos desafíos. Entre ellos, se encuentran la naturaleza voluminosa de la cáscara de arroz y su superficie dura. Además, la alta cantidad de silicio presente en la cáscara de arroz y la incapacidad de las bacterias para degradarlo convierten sus residuos en una fuente de contaminación ambiental. [6]

A medida que aumenta la temperatura durante el proceso de conversión termoquímica, la sílice se acumula a medida que el carbono se reduce [7]. El contenido de sílice en la ceniza de cáscara de arroz puede aumentar del 85-95 % al 90-98 % de sílice tras la combustión completa [8]. En la combustión completa, se eliminan todos los componentes orgánicos dentro de la cáscara de arroz, dejando los inorgánicos altamente ricos en sílice.

La cáscara de arroz contiene entre un 15,3 % y un 24,6 % de  cenizas (base de peso seco) después de la combustión, tiene un índice de refracción de 1,44 y un poder calorífico de 13 a 16 MJ/kg  [9] , [10] , [11].  La cáscara de arroz, que contiene aproximadamente entre un 15 % y un 25 % de sílice, se ve afectada por el clima, la variedad de arroz y la ubicación geográfica del cultivo [12].

5. Ventajas  económicas de la síntesis de nanopartículas 

Las ventajas de este enfoque se derivan directamente de su alineación con los principios de la química verde y la economía circular, ofreciendo beneficios multifacéticos.

Rentabilidad: Los residuos agrícolas, como el bagazo de caña, la cáscara de arroz o los huesos de aguacate, son abundantemente disponibles y suelen representar un costo de disposición para las industrias agroalimentarias. Su valorización como precursor para nanomateriales de alto valor agregado transforma un pasivo económico en un activo, reduciendo drásticamente el costo de producción en comparación con la compra de precursores químicos puros. Esto es particularmente relevante para economías en desarrollo con una fuerte base agrícola.

Simplicidad del Proceso: La metodología es inherentemente sencilla y no requiere de equipamiento sofisticado o condiciones extremadamente controladas. El proceso típico implica la preparación de un extracto acuoso o etanólico del residuo y su posterior mezcla con una solución del precursor metálico a temperatura ambiente o con calentamiento suave. Esta simplicidad permite que la síntesis sea accesible para laboratorios con infraestructura limitada y reduce los costos operativos, allanando el camino para una futura implementación descentralizada. [13]

6. Desafíos y limitaciones ed la síntesis de nanopartículas 

A pesar de sus prometedoras ventajas, la adopción a gran escala de esta tecnología se enfrenta a varios obstáculos significativos que requieren atención investigativa:

Control de la forma y tamaño: existe dificulta para lograr una distribución uniforme del tamaño muy estrecha (monodispersidad) de forma consistente.

Escalabilidad: Retos de llevar el proceso del laboratorio de escala gramos a la industria a escala de kilogramos o toneladas.

Caracterización del producto: necesidad de identificar con precisión los compuestos activos responsables de la síntesis.

Regulaciones toxicológicas: falta de estudios estandarizados a largo plazo sobre el impacto de estas nanopartículas en la salud y ecosistemas.

7. Consideraciones finales

La síntesis de nanopartículas a partir de residuos agrícolas es una estrategia poderosa y directamente alineada con los objetivos de desarrollo sostenible (ODS). Este enfoque representa una vía innovadora y sostenible para la producción de materiales avanzados, utilizando recursos que de otro modo se considerarían desechos.

Para superar los desafíos actuales, como la estandarización de los procesos y la escalabilidad de la producción, y consolidar esta prometedora tecnología, se requiere un  llamado de  acción:

  • Colaboración Multidisciplinaria: Es esencial fomentar una sinergia activa entre profesionales de diversas áreas como químicos, ingenieros, biólogos y agrónomos.
  • Inversión en I+D: Se necesita una mayor inversión en Investigación y Desarrollo para optimizar las rutas de síntesis, validar la seguridad de las nanopartículas y desarrollar procesos que sean viables en escala industrial.

Adoptar y potenciar esta tecnología no solo significa innovar en la ciencia de materiales, sino también construir un futuro más sostenible y eficiente en la gestión de nuestros recursos.

8. Bibliografia

[1] V. Jittin, A. Bahurudeen y SD Ajinkya, J. Cleaner Prod. , 2020, 263 , 121578

[2] Karim et al., 2023; Xu et al., 2023).

[3] V. Jittin, A. Bahurudeen y SD Ajinkya, J. Cleaner Prod. , 2020, 263 , 121578

[4] Mansaray y Ghaly, 1998.

[5] Nair, Fraaij, Klaassen y Kentgens, 2008; 5 Ndazi, Karlsson, Tesha y Nyahumwa, 2007). Contiene aproximadamente un 40 % de celulosa, un 30 % de grupo lignina y un 20 % de sílice.

[6] ( Chindaprasirt, Kanchanda, Sathonsaowaphak y Cao, 2007).

[7] N. Soltani , A. Bahrami , MI Pech-Canul, LA González Revisión sobre los tratamientos fisicoquímicos de la cascarilla de arroz para la producción de materiales avanzados

[8] Y. Shen Nanomateriales derivados de sílice de cáscara de arroz para aplicaciones sostenibles.

[9] Synthesis of silica and silicon from rice husk feedstock: A review Author links open overlay panelIbrahim Hamidu a b, Benjamin Afotey a, Bright Kwakye-Awuah c, Daniel Adjah Anang a.

[10] I. Glushankova , A. Ketov , M. Krasnovskikh , L. Rudakova , I. Vaisman Las cáscaras de arroz como recurso material complejo y renovable. Recursos, 7 ( 31 ) ( 2018 ), pp . 1-11, 10.3390 /resources7020031.

[11] R. Rathanasamy y otros. Influencia de los recubrimientos electropulverizados antirreflectantes de dióxido de silicio-dióxido de titanio en células de silicio multicristalino Hindawi Adv. Madre. Ciencia. Ing. , 2022 ( 2022 )

[12] F. Unglaube , A. Lammers , CR Kreyenschulte , M. Lalk , E. Mejía. Preparación, caracterización y propiedades antimicrobianas de compuestos de carbono/sílice que contienen plata de tamaño nanométrico a partir de residuos de cáscara de arroz

Chem. Open , 10 ( 2021 ) , págs. 1-7 , 10.1002 /open.202100239.

[13] MI Nassar , IS Ahmed , MA Abo-raya. Un enfoque fácil y adaptable para la síntesis de nanoestructuras de sílice pura a partir de cáscara de arroz para la eliminación del fármaco ciprofloxacino de soluciones acuosas contaminadas.

J. Mol. Licuado. ( 2019 ) , 10.1016/j.molliq.2019.03.017

[14] (ISO/TS 80004-2:2015)[15] Synthesis of silica and silicon from rice husk feedstock: A review Author links open overlay panelIbrahim. Hamidu a b, Benjamin Afotey a, Bright Kwakye-Awuah c, Daniel Adjah Anang a.

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