Información general

Leiva L., Eduardo
Profesor Asistente

Doctor en Ciencias de la Ingeniería, Ingeniería Civil

Pontificia Universidad Católica de Chile. 2013

Perfil en ORCID

Líneas de investigación

La escasez de agua y la contaminación de los recursos hídricos son dos problemas crecientes que afectan a muchos países del mundo, generando diversos conflictos sociales y ambientales. Tanto la contaminación como la escasez de agua presionan cada vez más el desarrollo de tecnologías alternativas para gestionar adecuadamente los recursos hídricos. En este sentido, las innovaciones nanotecnológicas y biotecnológicas han surgido como una alternativa sostenible para el tratamiento y remediación de aguas contaminadas y pueden transformarse en tecnologías eficientes para reúso de agua. No obstante, la aplicación de estas tecnologías en la reutilización del agua aún debe abordar varios  desafíos, como la  eficiencia de adsorción, la retención de los contaminantes, la  estabilidad de las interacciones entre contaminantes y nanomateriales, la integración entre procesos nano y biotecnológicos, el diseño y configuración para aplicaciones de tratamiento de aguas. Mi investigación pretende llenar parte de estos vacíos, principalmente  aquellos relacionados con interacción con contaminantes y diseños mejorados de nanocompositos para procesos de membrana. El objetivo es comprender los mecanismos que optimizan la reutilización del agua utilizando procesos de membrana mejorados y filtración con nanomateriales, considerando tanto sistemas nanoestructurados como nanorreactivos. En este contexto, mi investigación estas enfocada en dos aspectos fundamentales: la aplicación de nano-bio-tecnología para el tratamiento de agua y su reutilización (nanofiltración, membranas), y el desarrollo de estudios que orienten la toma de decisiones en materia de políticas públicas para reúso de agua. Específicamente, nos enfocamos en las siguientes líneas de investigación: 

-    Sustentabilidad ambiental
-    Química Ambiental aplicada al tratamiento, reúso y reutilización de aguas
-    Nanomateriales modernos para el tratamiento de aguas contaminadas
-    Microbiología y biogeoquímica ambiental
-    Biotecnología ambiental e innovación tecnológica en recursos hídricos
-    Gestión de recursos hídricos

Proyectos relacionados 

1. Estudio de nanomateriales modernos como alternativas sostenibles para la remediación y reutilización de agua 

En los próximos años, se espera que los recursos hídricos en varias regiones del mundo enfrenten presiones sin precedentes, debido al continuo crecimiento de la población, el cambio climático y la escasez de agua. Estas presiones exacerbarán aún más el desequilibrio actual entre la demanda de agua y su disponibilidad. Una alternativa poderosa para enfrentar esta escasez de agua es la reutilización de agua. Este enfoque ha sido estudiado durante décadas, pero la implementación de tecnologías ambientalmente-amigables y costo-eficientes son aún grandes desafíos. Alternativas tecnológicas basadas en nano-bio-tecnología representan una oportunidad para abordar estos desafíos. Nuestro grupo de investigación esta enfocado en el estudio de procesos biotecnológicos para el tratamiento y remediación de aguas contaminadas y su integración con sistemas nano-estructurados y nano-reactivos que permitan mejorar y optimizar el rendimiento de tecnologías de reúso de agua. Hemos encontrado que los nanomateriales en base a carbono y nanopartículas metálicas pueden mejorar el rendimiento de membranas de purificación de agua. De hecho, nanotubos de carbono (CNT) funcionalizados con grupos oxígeno mostraron una mayor capacidad de adsorción de metales, sin perder estabilidad o funcionalidad en condiciones más agresivas (bajo pH, y alta salinidad) (Figura 1). Esto mismo se observó para alternativas biotecnológicas optimizadas con nanocompositos de óxido grafeno decorados con nanopartículas de óxido de zinc, alcanzando tasas de remoción de metales mayores al 80%. También, evaluamos la aplicación de nanomateriales en el diseño y operación de sistemas de reutilización de agua a escala-real (Figura 2). Los sistemas mostraron alta permeabilidad, alta remoción de contaminantes, integridad mecánica mejorada y resistencia a incrustaciones. Además, la configuración lograda mejoró la retención de solutos y la eliminación de patógenos. Estos hallazgos pueden contribuir a mejorar los procesos convencionales de reutilización de agua mediante el uso de materiales nano-reactivos modificados y su aplicación en ingeniería de membranas. 


Figura 1. Microscopía electrónica de barrido por emisión de campo de nanotubos de carbono de paredes múltiples (MWCNT) oxidados



Figura 2. (a) Proceso de filtración mejorado utilizando capas nanoreactivas de nanotubos de carbono modificados, (b) Sistema de reutilización de aguas grises a escala real basado en el proceso de nanofiltración implementado en una escuela en el norte de Chile (Escuela Los Pozos, ciudad de Coquimbo, Chile).

2. Nuevos procesos para la eliminación de compuestos nitrogenados: Estudio de procesos Feammox para anaeróbicos eliminación de amoníaco

Debido a las graves consecuencias ambientales de la liberación de compuestos nitrogenados al medio ambiente, la legislación es cada vez más restrictivo en todo el mundo. Es necesario -y probablemente se hará en los próximos años- reducir los límites máximos permitidos para la concentración de nitrógeno en las descargas de aguas residuales en Chile. Con el fin de abordar adecuadamente este desafío,  se necesitan tecnologías rentables para eliminar el nitrógeno de las aguas residuales. El tratamiento convencional para la eliminación de amonio (forma principal de Nitrógeno en aguas residuales) de aguas residuales implica la nitrificación y la desnitrificación, procesos realizados por  determinados tipos de bacterias. Este tratamiento, aunque efectivo, tiene la inconveniente de ser caro y generar emisiones de gases de efecto invernadero (N2O). Por lo tanto, alternativas sostenibles debe ser estudiadas en profundidad. En este contexto, un nuevo mecanismo biológico que acopla la oxidación anaeróbica de amonio con la reducción de hierro, denominado "Feammox", se descubrió en 2005 y ha ganado mucha atención durante los últimos años. Sin embargo, es necesario comprender la mecanismos que rigen Feammox y sus prometedoras aplicaciones biotecnológicas. En el proceso Feammox, el amoníaco se oxida a dinitrógeno, nitrito o nitrato, mientras que el Fe3+ se reduce. El proceso Feammox podría ser una alternativa a tratamientos convencionales tale como, nitritación y anammox. Así, en los últimos años nuestro grupo de investigación ha estado enfocado en entender los mecanismos asociados a la remoción de amonio por feammox desde aguas residuales (Figura 3). Esto puede transformarse en ser una gran ventaja que permita mejorar la sustentabilidad y eficiencia de los sistemas de tratamiento convencionales. 


Figura 3. Eliminación de amoníaco junto con reducción de Fe3+ bajo condiciones anaeróbicas

3. Análisis y gestión de la reutilización de aguas grises y recursos hídricos en zonas rurales

A medida que los recursos hídricos se vuelven más escasos para satisfacer la demanda mundial de agua, se están realizando esfuerzos para mejorar la eficiencia del uso del agua. Así, la reutilización de aguas grises se destaca como una posible alternativa para reducir las presiones sobre el agua potable. Las aguas grises se definen como aguas residuales generadas por usos domésticos que incluyen agua de duchas, fregaderos, lavadoras, lavavajillas y fregaderos de cocina. Aunque el uso del agua difiere geográficamente, Las aguas grises constituyen una gran parte de las aguas residuales domésticas, cubriendo generalmente más del 50% del total generado. Aun así, las aguas grises se pueden reutilizar para diversos fines, como el riego y la descarga de inodoros. Aunque mi grupo de investigación está centrado en desarrollar aplicaciones tecnológicas para la reutilización del agua, también hemos trabajando en políticas públicas de reúso de agua y aguas grises. Nuestros avances tecnológicos han ido de la mano con el apoyo al desarrollo de normativas y políticas públicas para la reutilización de agua. Para apoyar esto, realizamos investigaciones sobre: (1) el diagnóstico de hábitos de reúso de agua en Chile, (2) estudios económicos sobre la viabilidad de sistemas de reutilización de aguas grises en comunidades rurales, y (3) la sostenibilidad y  la evaluación del  ciclo de vida de sistemas de reutilización de aguas grises a escala real (Figura 4).


Figura 4. Análisis de ciclo de vida de sistemas de reutilización de aguas grises

Docencia

-    QIM100A Química General II
-    QIM100E Química para Ingeniería
-    ICH2304 Ingeniería Ambiental 
-    ICH2314 Calidad del Agua
-    ICH3314 Calidad del Agua
-    ICH3390 Nanotecnología Ambiental 

Proyectos destacados

Valorización de las aguas grises: Transferencia tecnológica de un sistema de reciclaje e implementación de un modelo sostenible del recurso hídrico en comunidades afectadas por sequía.
Director.
Fondo de Innovación para la competitividad Gobierno Regional de Coquimbo BIP 40037328, FIC-R 2022.

Tecnologías rentables para el tratamiento, reutilización y recuperación de agua. 
Coinvestigador
Consorcio Tecnológico para la Gestión de Recursos Hídricos (CoTH2O-CORFO 2021-2025). Proyecto P11.

Finding new Feammox bacteria and studying their potential for the development of alternative anaerobic nitrogen removal technologies.  
Investigador principal.
Fondecyt iniciacion 11191154, ANID.

Publicaciones destacadas

Biofilm formation of Ancylobacter sp. TS-1 on different granular materials and its ability for chemolithoautotrophic As (III)-oxidation at high concentrations.
Leiva-Aravena, E., Vera, M. A., Nerenberg, R., Leiva, E. D., Vargas, I. T. 
Journal of Hazardous Materials (2022).
Nitrogen Removal by an Anaerobic Iron-Dependent Ammonium Oxidation (Feammox) Enrichment: Potential for Wastewater Treatment. 
Rodríguez, C., Cisternas, J., Serrano, J., & Leiva, E. 
Water (2021).

Life cycle assessment of greywater treatment systems for water-reuse management in rural areas. 
Rodríguez, C., Sánchez, R., Rebolledo, N., Schneider, N., Serrano, J., Leiva, E. 
Science of The Total Environment (2021).

Enhanced heavy metal removal from acid mine drainage wastewater using double-oxidized multiwalled carbon nanotubes. 
Rodríguez, C., Leiva, E. 
Molecules (2019).

Arsenic removal mediated by acidic pH neutralization and iron precipitation in microbial fuel cells.
Leiva, E., Leiva-Aravena, E., Rodríguez, C., Serrano, J., & Vargas, I.
Science of the Total Environment (2018).
 

Redes

UC
Ana María Edwards, Facultad de Química y de Farmacia
Rodrigo Labatut, Escuela de Ingeniería
Felipe Nuñez, Escuela de Ingeniería
Christian Ledezma, Escuela de Ingeniería
María Molinos, Escuela de Ingeniería
Héctor Jorquera, Escuela de Ingeniería
Pilar Gil, Facultad de Historia Geografía y Ciencia Política
Rafael Sánchez, Instituto de Geografía

 
Otras redes
Katherine Lizama, Universidad de Chile (Chile)
Jennyfer Serrano, Universidad Mayor (Chile) 
Paula Guerra, Universidad técnica Federico Santa María  (Chile)
Robert Nerenberg, University of Notre Dame (EEUU)
John Regan, Penn State University (EEUU)
Cristian González, Arizona State University (EEUU)
 

Gestión Académica

2021-a la fecha
Jefe de Magister en Ciencias de la Ingeniería, área Ingeniería Civil Hidráulica y Ambiental 

2021-a la fecha
Miembro, comité curricular carrera de Química, Escuela de Química de la Facultad de Química y Farmacia UC

2021-2022
Miembro, comité programa NACE para admisión especial a la Escuela de Ingeniería UC

2021
Miembro, comité de búsqueda del Director de la Escuela de Química de la Facultad de Química y Farmacia UC

2021
Miembro, comité programa de Talento e Inclusión para admisión a la Escuela de Ingeniería UC

2021
Mentoría para estudiantes de pregrado en ingeniería

2020-2021
Miembro, comité programa NACE para admisión a la Facultad de Ingeniería UC

2020
Miembro, comité programa de Talento e Inclusión para admisión a la Facultad de Ingeniería UC

2019
Miembro, comité programa de Talento e Inclusión para admisión a la Facultad de Ingeniería UC

2018
Miembro comité científico y comité organizador Segundo Congreso Chileno de Ingeniería Ambiental en Sistemas Acuáticos

2018
Mentoría de estudiantes de pregrado en ingeniería

2018
Miembro del comité de planes de estudio de pregrado. Especialización en Ingeniería y Ciencias Ambientales

2017-2018
Miembro del comité de Sostenibilidad de la Facultad de Química.

2017
Miembro, comité para la gestión e implementación de laboratorios en el Edificio de Ciencia y Tecnología - Laboratorio de Sostenibilidad y Recursos Críticos

2017
Miembro, comité para la gestión e implementación de laboratorios en el Edificio de Ciencia y Tecnología - Laboratorio de Geociencias 

2017
Miembro, comité para la reestructuración del curso de Química General para Ingeniería

2017
Mentoría de estudiantes de pregrado en ingeniería

2016
Miembro comité científico Primer Congreso Chileno de Ingeniería Ambiental en Sistemas Acuáticos