Desechos industriales, materia prima para fabricar cerámica

 Los lodos galvánicos, considerados como residuos peligrosos por su alto contenido de metales pesados –entre ellos cromo, níquel y cobre–, ahora tienen un nuevo uso como materia prima en la industria cerámica, ya que sirven como encapsulantes de metales y pigmento al mismo tiempo. Estos desechos se generan en procesos en los cuales se depositan capas de metal sobre otro material para protegerlo de la corrosión, como en la fabricación de automóviles o tuberías.

En Colombia el uso de la cerámica se remonta a miles de años atrás, cuando las primeras culturas precolombinas usaban la arcilla –esa tierra especial, suave y moldeable cuando está húmeda– para fabricar vasijas, utensilios, instrumentos musicales y otros objetos, con sus propias manos. Con el tiempo, este material se ha utilizado para construir casas, como la famosa Casa Terracota en Villa de Leyva, considerada como la obra de cerámica más grande del mundo.

La arcilla surge del desgaste natural que experimentan las rocas con el tiempo y el agua. Aunque con frecuencia se conoce por su color ocre, también puede ser blanca, roja, gris, verde e incluso negra, según los minerales que contenga.

Jhon Jairo Castañeda Bocanegra, doctor en Ingeniería - Ciencia y Tecnología de Materiales de la Universidad Nacional de Colombia (UNAL), le dio un nuevo valor al lodo galvánico producido en la industria, que al desecharse de forma inadecuada puede generar contaminación ambiental porque contiene metales pesados como cromo, níquel y cobre.

Las empresas galvanoplásticas que operan en Bogotá –como las dedicadas a metalización, anodizado, cromado y niquelado, entre otras– están obligadas a cumplir con la Resolución 2115 de 2007 y demás normas ambientales vigentes que exigen el tratamiento previo de sus aguas residuales antes de verterlas al sistema de alcantarillado público.

En dicho tratamiento se eliminan sólidos suspendidos, materia orgánica y metales pesados y los lodos generados por este proceso se deben eliminar de manera adecuada.

No se compromete la calidad de las baldosas

La fase experimental de esta investigación se hizo con lodos procedentes de una planta de tratamiento de aguas residuales (PTAR) de procesos galvánicos con altos contenidos de cromo, níquel y cobre. Consistió en una serie de experimentos que evaluaron la viabilidad de incorporar los lodos galvánicos en la producción de cerámica, los cuales incluyeron pruebas de mezclado de estos desechos con arcilla en diferentes proporciones, y además se determinaron los parámetros óptimos de procesamiento.

Mediante un proceso ingenioso, los lodos se incorporan a la arcilla utilizada en la fabricación de productos cerámicos, actuando como un agente encapsulante de los metales pesados y previniendo su liberación al medioambiente. “Esto significa que el producto final, la baldosa cerámica, no libera metales nocivos”, señala el investigador.

Como parte del proceso se crearon piezas para pisos y paredes que ya habían sido procesadas, y luego de pasar por el horno se caracterizaron y se llevaron a la fase de evaluación, que contemplaba pruebas de resistencia mecánica, absorción de agua, densidad, porosidad y análisis microestructural para entender cómo la incorporación de los lodos afectaba las propiedades finales de los productos.

Como resultado de esas pruebas se demostró que esta nueva formulación puede representar hasta un 8 % del material utilizado en la producción cerámica sin comprometer la calidad del producto final. El experto subraya que esto no solo reduce los costos de eliminación de los desechos, sino que “también contribuye a la economía circular, al reutilizar materiales previamente considerados como residuos”.

Un aspecto destacado de la investigación es el impacto potencial en la reducción del consumo de pigmentos tradicionales utilizados en la industria cerámica. “Después de incorporar los lodos galvánicos en la matriz cerámica se evidenció un cambio en el color de los productos, lo que significaría disminuir el uso de pigmentos costosos –como el óxido de manganeso– para obtener tonos oscuros”, destaca.

La investigación aporta una solución sostenible para el manejo de desechos industriales. Así se disminuirían los costos de disposición final de los lodos galvánicos y se reduciría el consumo de pigmentos inorgánicos tradicionales, que además son costosos.

Con pequeños cristales que capturan la luz se potenciaría la computación

 Avances como fibra óptica que lleva la información más rápido, computadores que procesan velozmente los datos, cámaras con una nitidez incomparable y muchos más llegan con la cuántica, pero en especial con los cristales fotónicos, diminutos materiales que juegan con la luz como quieren y con los que un físico de la Universidad Nacional de Colombia (UNAL) descubrió la forma en que, dentro de ellos, átomos de elementos como silicio o germanio potencien la tecnología como nunca antes.

Los cristales fotónicos –que miden milmillonésimas partes de un metro– están presentes en la naturaleza, entre los ejemplos más comunes están el ópalo y las alas de algunos escarabajos o mariposas. El ópalo es una sustancia similar a los minerales que también conforma rocas de colores iridiscentes, o sea que cambian según el ángulo. Por su parte estos insectos tienen tonos luminosos y variables cuando se mueven con el viento.

También se fabrican en los laboratorios más especializados, pues dentro de sus propiedades guardan algo llamado “periodicidad”, y quizá le suene como algo que se repite o tiene intervalos definidos, y sí, básicamente es eso, en su estructura tienen una serie de orificios con distancias iguales, que son la base para que puedan “jugar” con la luz.

Para entender este proceso, tal vez valdría la pena devolverse un poco, a inicios del siglo XX, cuando recién se estaban estudiando las capacidades de algunos materiales para conducir la electricidad, y por ende los electrones, que son la materia prima de la electricidad; de ahí nació la electrónica, rama de la física aplicada gracias a la cual usted puede estar leyendo esta nota en su celular o computador.

No obstante, alrededor de 1987 los científicos se preguntaron si se podía hacer lo mismo con los fotones, que en este caso son los “legos” de la luz, y lo que descubrieron fue sorprendente, pues la respuesta estaba en pequeños cristales que podían variar en tamaño e intensidad, y a los que le denominaron “fotónicos”, por obvias razones.

Sin embargo, son más las preguntas que las certezas, y eso lo sabe bien el doctor en Física Erik Petrovish Navarro Barón, quien puso a prueba sus conocimientos teóricos para resolver ecuaciones que por mucho tiempo han tratado de describir estos fenómenos, las de James Clerk Maxwell para el estudio de las ondas electromagnéticas, y la de Erwin Schrödinger, para la cuántica, una rama de la física que se abre paso y es fundamental para que la tecnología vaya a pasos tan rápidos que su impacto en el mundo y la vida cotidiana sea inevitable.

Según el doctor Navarro, “con los años ha existido un problema para los cristales, y es que no se ha logrado que átomos, que liberan energía y por ende luz, puedan ser almacenados en su interior, lo cual facilitaría que los fotones potencien el dispositivo en el que se encuentran, ya sea la fibra óptica, el procesador del computador o un láser especializado”.

De cierta manera es como si el dicho popular “no se pueden ni ver”, aplicara para los átomos, pues cuando están a solo 2 nanómetros de distancia, la luz que emiten no deja que se comuniquen, pero esto cambia cuando están al interior de un cristal fotónico.

El investigador determinó que al estar en su interior hay una interacción que no se había comprobado, y se conservan las propiedades lumínicas de los átomos; un hito para los estudios físicos y teóricos de estos materiales, pues si hay intercambio de energía, quiere decir que los cristales son una capa que permite que los estados cuánticos se manifiesten, es decir, que la luz que emiten sea el recurso para que la información viaje más rápido en los dispositivos en los que se almacenan.

Pero usted se preguntará, ¿cómo se crean los cristales fotónicos?, aunque la respuesta es muy sencilla, el proceso no. Se toma un material base, que puede ser silicio, germanio o arseniuro de galio, y por medio de técnicas de litografía (convertir una forma a un tamaño de micrómetros o nanómetros), se van construyendo capas o laminas diminutas, y encima de ellas se ponen las indicaciones del tipo de cristal que se quiere obtener y se hacen los hoyos.

“Esto es importante porque según el tamaño y el orden se aplicará a tecnologías distintas, y que la velocidad de la luz se controle en diferentes grados, lo que permitiría que la aplicación esté mejor orientada en instrumentos como sensores o láseres”, indica.

Añade que aunque en Colombia se han estudiado teóricamente aplicaciones en sensores, no se cuenta con la tecnología para fabricar los cristales, por lo que aportar desde el entendimiento y la resolución de ecuaciones es un precedente para seguir desarrollando esta ciencia en el país.

La investigación se realizó con el apoyo y la guía de los profesores Herbert Vinck Posada, del Departamento de Física de la UNAL, y Alejandro González Tudela, del Instituto de Física Fundamental del CSIC (España).