Según las Naciones Unidas, 2.200 millones de personas todavía no tienen acceso a agua potable gestionada de forma segura. Para ayudar a satisfacer la creciente demanda, muchas regiones, desde California hasta partes de Medio Oriente, dependen de plantas desalinizadoras que convierten el agua de mar en agua dulce.
Los métodos tradicionales de desalinización, como la ósmosis inversa y la destilación térmica, pueden ser costosos y consumir mucha energía. A menudo requieren tratamiento químico antes y después del tratamiento del agua y producen grandes cantidades de agua salada concentrada conocida como salmuera. Si se devuelve al océano, puede dañar los ecosistemas marinos al aumentar la salinidad y reducir los niveles de oxígeno.
Investigadores de la Universidad de Rochester han desarrollado un nuevo enfoque que puede abordar algunos de estos desafíos. Su sistema de desalinización alimentado por energía solar produce agua dulce de manera eficiente, funciona sin pretratamiento químico y evita la generación de desechos de salmuera. La investigación fue dirigida por Chunlei Guo, profesor de óptica y física y científico senior del Laboratorio de Energética Láser de la universidad. El equipo describió la tecnología en la revista. Iluminación: ciencia y aplicaciones.
Los paneles solares tratados con láser impulsan el proceso
El sistema se basa en paneles solares especialmente diseñados, hechos de metal negro texturizado con un láser de femtosegundo. Este tratamiento confiere a la superficie dos propiedades importantes. Absorbe casi toda la luz solar entrante y atrae fuertemente el agua, propiedad conocida como superdebilitante.
Un láser dibuja una fina capa de agua de mar a través del panel estampado del área activa. A medida que se absorbe la luz solar, el agua se evapora y se destila en agua dulce. Al mismo tiempo, las sales y minerales disueltos se alejan del área activa y se acumulan en las partes no tratadas del panel denominada área pasiva.
Al alejar la sal de la zona de evaporación, el diseño evita la acumulación que de otro modo interferiría con el funcionamiento continuo.
Utiliza el efecto anillo de café para evitar obstrucciones.
Guo señala que varias tecnologías de desalinización solar térmica han mostrado resultados prometedores en estudios de laboratorio utilizando agua de mar simplificada compuesta únicamente de agua y cloruro de sodio.
En estos experimentos, los cristales de cloruro de sodio se forman en una estructura porosa y suelta a medida que el agua se evapora. El agua puede fluir a través de estos cristales, disolviéndolos y haciendo que los sistemas sean relativamente fáciles de limpiar.
El agua de mar real es mucho más compleja.
Además del cloruro de sodio, hay muchos otros minerales disueltos en el océano. Los materiales que contienen magnesio y calcio a menudo forman costras duras y densas cuando cristalizan. Estos depósitos pueden bloquear el flujo de agua y eventualmente detener el proceso de desalinización.
El problema es como la acumulación de incrustaciones minerales en el interior de una tetera o la obstrucción de un cabezal de ducha con el tiempo: la concentración de sales disueltas en el agua de mar es demasiado alta.
Para superar este desafío, el equipo de Rochester diseñó cuidadosamente ranuras microscópicas en la superficie de metal negro. El patrón estimula que las sales y minerales se alejen de la zona activa antes de congelarse.
Los investigadores también aprovecharon un fenómeno físico bien conocido conocido como efecto anillo de café.
“Si dejas caer café sobre una superficie, eventualmente el agua se evapora y hay un anillo en el borde exterior que son partículas de café condensadas”, dice Guo. “Usamos el mismo principio para hacer avanzar la sal hacia regiones pasivas”.
Cuando el equipo probó la tecnología utilizando muestras de agua recolectadas de los océanos Pacífico, Atlántico e Índico, la superficie se limpió por sí sola de manera efectiva. El agua dulce se drenaba continuamente mientras las sales se dirigían a zonas pasivas, donde luego podían recolectarse sin reducir el rendimiento.
Recuperar minerales valiosos en lugar de generar residuos
Una de las ventajas más significativas del sistema es lo que sucede con la sal residual.
La desalinización convencional produce salmuera líquida que debe tratarse, eliminarse o descargarse al medio ambiente. En cambio, el nuevo proceso recupera casi todas las sales disueltas en forma sólida.
Los materiales recuperados pueden convertirse en activos valiosos. Además de producir sal de mesa, el proceso puede ayudar a extraer minerales importantes como el litio, un componente clave de las baterías de iones de litio utilizadas en vehículos eléctricos y muchos productos electrónicos de consumo.
En un estudio relacionado publicado En Revista de Química FísicaGuo y sus colegas demostraron que el mismo panel solar superdébil puede separar el litio de otras sales.
Para lograr esto, los investigadores incrustaron nanopartículas de titanato de hidrógeno en ranuras microscópicas en la superficie del metal negro. Estas partículas aíslan selectivamente el litio de otros minerales disueltos.
“La extracción de litio de la tierra ha demostrado ser muy exigente desde una perspectiva energética y ambiental, por lo que extraer litio directamente del agua salada podría ser un camino futuro muy importante”, dijo Guo.
Utilizando agua del Gran Lago Salado de Utah, el equipo recuperó con éxito alrededor del 50 por ciento del litio que quedaba en la sal después de la desalinización.
Potencial para la producción de agua dulce a gran escala
Aunque hasta ahora la tecnología sólo se ha demostrado en dispositivos de prueba de concepto, Guo cree que el método se puede ampliar significativamente.
Si se expande con éxito, el sistema podría ayudar a aumentar el acceso al agua potable y crear una fuente más sostenible de minerales críticos.
La investigación fue apoyada por la Fundación Nacional de Ciencias, la Fundación Bill y Melinda Gates y la Red Mundial de Universidades. Otros contribuyentes del Instituto de Óptica incluyen al científico principal Subas Singh, el ex alumno Ran Wei ’24 (PhD), los estudiantes de doctorado Luheng Tang y Tainshu Xu, y Mingjiang Ma.
