Avance en desalación solar: agua potable sin desechos tóxicos

La escasez de agua potable afecta a 2.2 mil millones de personas en todo el mundo, según datos de la Organización de las Naciones Unidas. Para abordar esta problemática, diversas regiones, desde California hasta partes del Medio Oriente, han comenzado a implementar plantas de desalación que convierten agua de mar en agua potable.

Sin embargo, los métodos tradicionales de desalación, como la ósmosis inversa y la destilación térmica, suelen ser costosos y requieren grandes cantidades de energía. Además, generan grandes volúmenes de agua salina concentrada, conocida como salmuera, que al ser devuelta al océano puede dañar los ecosistemas marinos al aumentar la salinidad y disminuir los niveles de oxígeno.

En este contexto, investigadores de la Universidad de Rochester han desarrollado un innovador sistema de desalación solar que promete abordar varios de estos desafíos. Este sistema, impulsado por energía solar, produce agua potable de manera eficiente, sin necesidad de tratamientos químicos previos y evitando la generación de residuos de salmuera. El estudio fue liderado por el profesor Chunlei Guo, un destacado científico en el campo de la óptica y la física, y los resultados fueron publicados en la revista Light: Science & Applications.

Páneles solares tratados con láser impulsan el proceso

El sistema utiliza paneles solares especialmente diseñados, fabricados con metal negro texturizado mediante láseres de femtosegundos. Este tratamiento confiere a la superficie dos propiedades fundamentales: absorbe casi toda la luz solar y atrae fuertemente el agua, un fenómeno conocido como superwicking.

Un área activa con patrón láser atrae una delgada capa de agua de mar sobre el panel. A medida que la luz solar es absorbida, el agua se evapora y se destila en agua potable. Simultáneamente, las sales y minerales disueltos son guiados lejos de la zona activa y depositados en secciones no tratadas del panel, llamadas regiones pasivas.

Este diseño evita la acumulación de sales en la zona de evaporación, lo que podría interferir con el funcionamiento continuo del sistema.

Uso del efecto del anillo de café para prevenir obstrucciones

Guo destacó que varias tecnologías de desalación térmica solar han mostrado resultados prometedores en estudios de laboratorio utilizando agua de mar simplificada, compuesta solo por agua y cloruro de sodio. En esos experimentos, los cristales de cloruro de sodio se formaron en una estructura porosa que permite que el agua continúe fluyendo a través de ellos, facilitando la limpieza del sistema.

Sin embargo, el agua de mar real es mucho más compleja, ya que contiene otros minerales disueltos. Materiales como el magnesio y el calcio tienden a formar costras densas y duras al cristalizarse, lo que puede bloquear el flujo de agua y eventualmente detener el proceso de desalación.

Para superar este desafío, el equipo de Rochester diseñó cuidadosamente surcos microscópicos en la superficie del metal negro. Este patrón promueve el movimiento de las sales y minerales lejos de la región activa antes de que puedan acumularse.

Los investigadores también aprovecharon un fenómeno físico familiar conocido como el efecto del anillo de café. Guo explicó: "Si derramas café sobre una superficie, eventualmente el agua se evapora y queda un anillo en el borde exterior que son las partículas concentradas de café. Utilizamos ese mismo principio para avanzar las sales hacia la región pasiva".

Cuando el equipo probó la tecnología con muestras de agua recolectadas de los océanos Pacífico, Atlántico e Índico, la superficie se limpió efectivamente. Se extrajo agua potable de manera continua mientras que las sales se dirigieron hacia las regiones pasivas, donde pudieron ser recolectadas sin reducir el rendimiento.

Recuperación de minerales valiosos en lugar de generar residuos

Una de las ventajas más significativas del sistema es lo que sucede con la sal restante. La desalación convencional produce salmuera líquida que debe ser tratada, eliminada o descargada al medio ambiente. En cambio, el nuevo proceso recupera casi todas las sales disueltas en forma sólida.

Estos materiales recuperados podrían convertirse en recursos valiosos. Además de producir sal de mesa, el proceso podría ayudar a extraer minerales importantes como el litio, un componente clave en las baterías de iones de litio utilizadas en vehículos eléctricos y en muchos dispositivos electrónicos.

En un estudio relacionado publicado en el Journal of Materials Chemistry A, Guo y sus colegas demostraron que los mismos paneles solares superwicking pueden separar el litio de otras sales. Para lograr esto, los investigadores incorporaron nanopartículas de titanato de hidrógeno en los surcos microscópicos de la superficie del metal negro, las cuales aíslan selectivamente el litio de otros minerales disueltos.

Guo enfatizó: "La minería de litio de la Tierra ha demostrado ser muy exigente desde el punto de vista energético y ambiental, por lo que extraer litio directamente del agua salada podría ser una ruta futura muy importante". Utilizando agua del Gran Lago Salado de Utah, el equipo logró recuperar aproximadamente el 50% del litio contenido en las sales restantes después de la desalación.

Potencial para la producción a gran escala de agua potable

Aunque la tecnología hasta ahora solo ha sido demostrada en dispositivos de prueba de concepto, Guo cree que el enfoque puede escalarse significativamente. Si se expande con éxito, el sistema podría ayudar a aumentar el acceso a agua potable limpia, al tiempo que crea fuentes más sostenibles de minerales críticos.

El estudio contó con el apoyo de la National Science Foundation, la Bill & Melinda Gates Foundation y la Worldwide Universities Network. Entre los contribuyentes del Instituto de Óptica se incluyen el científico senior Subash Singh, el exalumno Ran Wei '24 (PhD), los estudiantes de doctorado Luheng Tang y Tainshu Xu, y Mingjiang Ma.

Temas