Convirtiendo el agua del océano en agua potable, sin generar residuos

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Un nuevo sistema de bajo consumo energético produce agua dulce sin aditivos químicos y transforma las sales sobrantes en materiales útiles.

Frascos de agua de mar, agua del Gran Lago Salado, sulfato de níquel, aguas residuales con cloruro de cobre y agua desalinizada, junto con sales recuperadas, demuestran cómo un nuevo enfoque desarrollado por investigadores de Urochester transforma aguas naturales e industriales en agua dulce y minerales reutilizables. Crédito de la imagen: Universidad de Rochester Photo / J Adam Fenster

Las Naciones Unidas estiman que 2200 millones de personas carecen de agua potable gestionada de forma segura, y comunidades desde California hasta Oriente Medio dependen de plantas desalinizadoras para convertir el agua del océano en agua dulce. Las técnicas comunes de desalinización, como la ósmosis inversa y la destilación térmica, consumen mucha energía, requieren tratamiento previo y posterior del agua, y generan un subproducto de agua salada concentrada llamado salmuera, que causa estragos en la vida marina cuando se vierte de nuevo al océano, al aumentar el nivel de sal y disminuir el oxígeno en el agua.

Sin embargo, un nuevo enfoque desarrollado en la Universidad de Rochester, en Estados Unidos, ofrece una solución para superar estos inconvenientes. Investigadores del Instituto de Óptica de la URochester desarrollaron un nuevo proceso de desalinización solar-térmica para producir agua dulce de manera eficiente, sin generar salmuera y sin necesidad de aditivos químicos para el pretratamiento del agua. Un equipo liderado por Chunlei Guo, profesor de óptica y física e investigador principal del Laboratorio de Energía Láser de la URochester, describe su método en un artículo publicado en la revista Light: Science & Applications.

Esta tecnología utiliza paneles solares de metal negro grabados con láseres de femtosegundos para lograr una superficie con una gran capacidad de absorción de luz y de capilaridad, es decir, extremadamente atractiva para el agua. Los paneles cuentan con una zona activa tratada con láser que atrae una fina capa de agua a través de la superficie, absorbe casi toda la radiación solar, destila el agua y deposita las sales y minerales restantes en las zonas no tratadas o “pasivas” del panel, evitando así que la sal obstruya la zona activa e interrumpa la desalinización continua.

Aprovechando el efecto del «anillo de café»
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Guo explica que otros investigadores han desarrollado técnicas de desalinización solar-térmica que funcionan bien en experimentos de laboratorio utilizando agua de mar simulada compuesta únicamente de agua y cloruro de sodio. A medida que el agua se evapora, el cloruro de sodio cristaliza formando una estructura granulada y porosa que permite el paso del agua para disolver la sal, facilitando así la limpieza de los paneles solares.

En el laboratorio del profesor Chunlei Guo en la Universidad de Rochester, los investigadores desarrollaron un dispositivo de desalinización solar que incorpora un metal negro superabsorbente grabado con láser, una tecnología que produce agua dulce a partir de agua de mar capturando sales y minerales en lugar de generar residuos nocivos de salmuera. Crédito de la imagen: Foto de la Universidad de Rochester / J. Adam Fenster

Pero los océanos tienen una composición mucho más compleja, y estos sistemas suelen presentar problemas al probarlos en condiciones reales. A diferencia del cloruro de sodio, muchos otros componentes del agua de mar, como los materiales a base de magnesio y calcio, cristalizan formando una costra no porosa en la superficie del panel solar, lo obstruyen y, finalmente, el agua deja de filtrarse. Este fenómeno es similar al de la obstrucción de la alcachofa de la ducha o la acumulación de cal en la tetera, con la diferencia de que el agua de mar contiene cientos de veces más sales que el agua del grifo.

Para evitar que la superficie de sus paneles solares se obstruyera de forma similar, el equipo de Guo grabó con precisión las ranuras del metal negro para que las diversas sales y minerales del agua de mar se desprendieran fácilmente. También aprovecharon un fenómeno físico que ha atormentado durante siglos a los amantes torpes del café: el efecto del anillo de café.

“Si se deja caer café sobre una superficie, con el tiempo el agua se evapora y queda un anillo en el borde exterior formado por las partículas concentradas de café”, explica Guo. “Utilizamos ese mismo principio para hacer avanzar las sales hacia la región pasiva”.

Tras probar su técnica de desalinización solar-térmica con muestras de agua de los océanos Pacífico, Atlántico e Índico, Guo y su equipo lograron que la superficie se autolimpiara, extrayendo así el agua dulce y dirigiendo las sales restantes a la zona pasiva, donde podían recogerse posteriormente sin reducir la eficiencia del panel.

Transformando residuos en recursos
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Una de las ventajas distintivas del nuevo método es que, en lugar de generar salmuera que debe desecharse o procesarse, extrae casi el 100 % de las sales en estado sólido. Esto no solo podría producir un suministro abundante de sal de mesa, sino que también podría utilizarse para extraer minerales más valiosos, como el litio, que se emplea en las baterías de iones de litio que alimentan los vehículos eléctricos y otros dispositivos electrónicos.

En un artículo relacionado publicado en la revista Journal of Materials Chemistry A, Guo y sus colegas demuestran cómo pueden utilizar los mismos paneles solares de alta capacidad de absorción para separar el litio del resto de las sales en la desalinización. Al incrustar nanopartículas de titanato de hidrógeno en las diminutas ranuras de la superficie metálica negra, se aísla el litio de otras sales y minerales.

“La extracción de litio de la tierra ha demostrado ser muy costosa desde el punto de vista energético y medioambiental, por lo que extraer litio directamente del agua de mar podría ser una vía muy importante para el futuro”, afirmó Guo.

Utilizando muestras de agua del Gran Lago Salado (Great Salt Lake), los investigadores lograron extraer aproximadamente el 50 por ciento del litio de las sales que quedan tras el proceso de desalinización.

Guo afirma que, ahora que la tecnología de desalinización por capilaridad superior se ha demostrado en pruebas de concepto con dispositivos a pequeña escala, considera que la tecnología es inherentemente escalable y capaz de mejorar el acceso mundial al agua potable y de construir cadenas de suministro más sostenibles para los minerales preciosos.

Financiación
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La investigación fue financiada por la Fundación Nacional de Ciencias de Estados Unidos, la Fundación Bill y Melinda Gates y la Red Mundial de Universidades. Entre los colegas de Guo del Instituto de Óptica que contribuyeron a la investigación se encuentran el científico sénior Subash Singh, el exalumno Ran Wei ’24 (doctorado), los estudiantes de doctorado Luheng Tang, Tainshu Xu, y Mingjiang Ma.

Cita
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El artículo Additive-free and brine-discharge-free solar-thermal desalination with simultaneous complete mineral mining from ocean water fue publicado en Light Science & Applications
El artículo New method turns ocean water into drinking water, without waste firmado or Luke Auburn | Director de Comunicaciones de la Hajim School of Engineering & Applied Sciences, fue publicado en la sección de noticias de la URochester