Resumen: Este trabajo presenta un enfoque novedoso de filtración inversa basado en nanopartículas autoensamblables y adaptativas diseñadas para regular dinámicamente el tamaño de poro. A diferencia de medios filtrantes convencionales con poros estáticos, nuestro sistema emplea un mecanismo de retroalimentación que responde a la concentración de partículas en el efluente para ajustar la densidad de ensamblaje de las nanopartículas, optimizando la captura de contaminantes en una amplia gama de tamaños. En pruebas de laboratorio se observó una mejora significativa en la eficiencia de retención de materia particulada de hasta 20 por ciento para tamaños de partícula hasta 10 nm y una reducción del consumo energético frente a sistemas basados en membranas presurizadas.

Introducción: Los métodos tradicionales de filtración inversa afrontan problemas recurrentes por cargas variables de partículas y ensuciamiento de membranas de poros fijos, lo que demanda limpieza frecuente y eleva costes energéticos. Proponemos un filtro inteligente que utiliza nanopartículas autoensamblables (SAPN) capaces de cambiar reversiblemente entre estados dispersos y agregados para ajustar el tamaño efectivo de los poros en tiempo real, asegurando un rendimiento de filtración óptimo frente a distribuciones amplias de tamaños de partícula.

Fundamento teórico: El principio operativo se basa en la agregación reversible de SAPN gobernada por interacciones electrostáticas y tensiones superficiales. Las SAPN descritas combinan un núcleo de sílice funcionalizada con grupos silano y cadenas de polietilenglicol PEG para estabilización estérica, y recubrimientos catiónicos a base de quitosano en diferentes concentraciones para modular la carga superficial. La tasa dinámica de agregación kagg se modela como una función de la concentración de partículas en el efluente C con un término de sensibilidad n que se ajusta por retroalimentación. El tamaño de malla efectivo dp se relaciona con la densidad de SAPN rho mediante una dependencia tipo fractal que se calibra experimentalmente, de modo que aumentos en la densidad reducen el diámetro de poro y mejoran la captura de partículas finas.

Metodología: Las SAPN se sintetizan por el proceso de Stober para producir nanopartículas de sílice de 10 a 20 nm, seguidas de PEGilación por reacción de condensación y funcionalización con quitosano en proporciones controladas para obtener variantes con 0.53 wt por ciento, 1 wt por ciento, 2 wt por ciento y 13.44 wt por ciento. La caracterización incluyó dispersión de luz dinámica DLS para diámetro hidrodinámico, microscopía electrónica TEM para morfología y potencial zeta para carga superficial. El sistema de filtración empleó un canal microfluídico donde las SAPN se dispersan en el portador; un equipo de bombeo controla el caudal y un contador óptico de partículas OPC monitoriza en tiempo real la concentración en efluente. Se realizaron series experimentales con polímeros orgánicos sintéticos de 10 nm, 50 nm y 100 nm a concentraciones entre 100 ppm y 1000 ppm, con cinco repeticiones por condición. La eficiencia de filtración se calculó como reducción porcentual de partículas y se aplicó ANOVA para evaluar el efecto del recubrimiento de quitosano.

Sistema de control adaptativo: La planta incorpora un bucle de control que actúa sobre la adición de surfactante catiónico para modificar la carga superficial de las SAPN. El señal del OPC sirve como variable de proceso C; cuando C supera un umbral se aumenta la dosis de surfactante para promover agregación y reducir poros, mientras que su disminución revierte el proceso. El parámetro de sensibilidad n se ajusta dinámicamente mediante un controlador proporcional integral PI optimizado por algoritmo genético, con el objetivo de minimizar el error entre calidad de filtrado objetivo y salida real.

Resultados y discusión: Los experimentos mostraron correlación directa entre la concentración de efluente y el grado de ensamblaje de SAPN. El recubrimiento con quitosano influyó positivamente en la eficiencia: la configuración con 2 wt por ciento alcanzó eficiencia promedio de 95 por ciento en la eliminación de partículas de 10 nm a 1000 ppm y 92 por ciento para 100 nm a 1000 ppm. Análisis estadísticos confirmaron significancia con p menor a 0.05. Imágenes TEM y mediciones de poros indicaron ajuste de malla con variaciones en la dosificación de surfactante. En comparación con una membrana estática bajo cargas similares, la filtración dinámica mostró mejora significativa en eficiencia y menor tendencia al ensuciamiento, lo que se traduce en menor consumo energético y mayor tiempo operativo entre regeneraciones.

Conclusiones: Se demuestra un concepto funcional de filtración inversa adaptativa basado en nanopartículas autoensamblables. La regulación dinámica del tamaño de poro mejora la captura de contaminantes, reduce el ensuciamiento y puede disminuir los costes energéticos y operativos en tratamiento de aguas industriales. Para llevar esta tecnología a escala industrial serán necesarios estudios de escalado, estabilidad a largo plazo y evaluación de impacto ambiental de las SAPN.

Direcciones futuras: Investigaciones siguientes deben abordar la escalabilidad, recuperación y reciclado de SAPN, la compatibilidad biológica para aplicaciones farmacéuticas y la integración de algoritmos predictivos de inteligencia artificial para anticipar variaciones de carga y optimizar la estrategia de control. La combinación con servicios cloud y análisis de datos en tiempo real permitirá despliegues industriales más robustos y seguros.

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