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Dos tercios de la superficie de la Tierra están inundados de esta sustancia, pero el agua (específicamente, la limpia y potable) es inaccesible para miles de millones de personas.
Un nuevo sistema de purificación desarrollado por investigadores del Instituto Beckman de Ciencia y Tecnología Avanzadas utiliza una versión electrificada de diálisis para separar la sal y otras partículas innecesarias del producto potable.Aplicado con éxito a las aguas residuales y planificada expansión a ríos y mares, el método ahorra dinero y consume un 90% menos de energía que sus homólogos.
El estudio aparece en ACS Energy Letters.
Si tan solo extraer sal del agua fuera tan simple como agitar un imán gigante sobre el Pacífico o tamizar líquido a través de un tamiz superfino.Una vez que el mineral se disuelve, el proceso de separación (bautizado como desalinización en los círculos científicos) se vuelve más caro y utiliza más energía.
La desalinización se complica aún más por las impurezas y la materia orgánica (las pequeñas motas que se encuentran suspendidas en una cucharada de agua del océano sin filtrar), cuya eliminación estimula el aumento de los presupuestos de energía y costos.
“Necesitamos una manera de purificar el agua potable que sea de bajo consumo energético, económica y útil para las comunidades que más la necesitan.Veo nuestra solución como una plataforma para abordar las crisis de energía y agua”, dijo Xiao Su, investigador de Beckman y profesor asistente de ingeniería química y biomolecular en la Universidad de Illinois Urbana-Champaign.
El agua desalinizada generalmente requiere filtración o evaporación para separar elementos indeseables como sodio, cloruro, materia orgánica y una variedad de polizones atómicos.El calor, por ejemplo, funciona bien con este truco: un sencillo experimento de cocina muestra que hervir agua con sal hace que el líquido se evapore y la sal permanezca como una corteza sólida y salada.
Su y sus colegas adoptaron un enfoque diferente: la electrodiálisis.Al igual que la diálisis de la sangre, que, como un riñón, elimina la sal y otras toxinas de nuestras venas, la electrodiálisis elimina las sales y la materia orgánica de las aguas residuales para producir un producto limpio y potable.
La electrodiálisis es una herramienta de desalinización eficaz, pero a menudo conlleva un alto coste energético.Esto se debe en gran medida a su emblemática reacción de división del agua, que separa las moléculas de agua en dos componentes: un protón con carga positiva y un hidróxido con carga negativa.Debido a que los componentes básicos de la sal tienen cargas propias, la división del agua fuerza el movimiento del mineral en una dirección designada, como una polilla a una llama con carga opuesta o un trozo de metal a un imán.
Sin embargo, en lugar de un imán, la electrodiálisis utiliza membranas de intercambio iónico cargadas, llamadas así porque sólo pueden pasar iones (átomos con una carga eléctrica positiva o negativa).Las membranas de intercambio iónico son uno de los componentes más costosos de la electrodiálisis, ya que requieren un mantenimiento diligente y un reemplazo frecuente.
Su y sus colegas intentaron purificar el agua sin el costo energético de la electrodiálisis o la tensión financiera de las membranas de intercambio iónico.Entonces, modificaron el enfoque tradicional en dos formas principales.
Para ahorrar energía, los investigadores simplificaron el proceso de separación de sales con un fenómeno químico llamado reacción redox.La palabra redox es un acrónimo de las palabras reducción (que, en química, describe agregar electrones para crear una carga negativa) y oxidación (que significa restar electrones para crear una carga positiva).Físicamente, desencadenar una reacción redox parece agregar un material especial a base de polímero al agua residual antes de filtrarla y purificarla.
Químicamente, los resultados son transformadores.En lugar de dividir las moléculas de agua en rodajas cargadas positiva y negativamente para extraer la sal, la reacción redox cambia la carga de toda la molécula de agua de una sola vez, logrando el mismo grado de separación salada con aproximadamente un 90% menos de energía que el agua tradicional. terrible.
Para añadir ahorro económico a la eficiencia energética, los investigadores cambiaron las membranas de intercambio iónico convencionales por membranas de nanofiltración, una opción más robusta y menos costosa.
Los experimentos en una planta de tratamiento de agua regional demostraron que el método de los investigadores puede purificar con éxito las aguas residuales;Los planes futuros incluyen expandirse a fuentes de agua salada y salobre como aguas subterráneas y ríos.
Debido a su bajo requerimiento de energía, la electrodiálisis inspirada en redox está diseñada para combinarse bien con paneles solares.Su desempeño positivo en climas cálidos es útil para aplicaciones en regiones afectadas por el clima, "donde es muy necesaria una desalinización de bajo costo y baja energía", dijo Su.
“La escasez de agua es un problema global y no va a cambiar en un día.Pero estamos dando un paso hacia una solución que es factible y susceptible de ampliarse”, afirmó.
Hasta ahora, los investigadores han probado su método en muestras de varios litros.Pero están ansiosos por expandirse a un estanque más grande.
"Tenemos el polímero adecuado, tenemos la membrana adecuada y tenemos las condiciones adecuadas", afirmó Su.“La ciencia está ahí, por lo que el siguiente paso es allanar el camino para implementar estos dispositivos para el tratamiento del agua en el mundo real.Creo que es el momento adecuado para eso y estoy emocionado de que esto suceda”.
El artículo titulado “Copolímeros redox para electrodiálisis habilitada con nanofiltración” está disponible en línea en https://doi.org/10.1021/acsenergylett.3c00482
Otros colaboradores de este trabajo fueron Nayeong Kim, Johannes Elbert y Choonsoo Kim.Para obtener información completa sobre el autor, consulte la publicación.
Contacto Xiao Su: x2su@illinois.edu
Filtro de purificación de agua de lago para uso industrial Contacto con los medios: Jenna Kurtzweil, kurtzwe2@illinois.edu