Después de un desastre natural, como el terremoto de Haití o el Huracán Katrina, a menudo la demanda de agua potable es alta y los suministros son pocos. Las zonas de desastre en los ejemplos anteriores estaban cerca del mar, pero convertir agua salada en agua dulce y potable suele requerir grandes cantidades de energía eléctrica sin cortes de suministro, así como plantas de desalinización a gran escala, y ninguna de esas dos cosas estaba disponible en las áreas de desastre citadas.
Un nuevo enfoque en la desalación que está siendo desarrollado por investigadores del Insituto Tecnológico de Massachusetts (MIT) y Corea, podría dar lugar a pequeñas unidades portátiles que pueden ser alimentadas por celdas solares o baterías, y podría proporcionar suficiente agua dulce para abastecer las necesidades de una familia o un pequeño pueblo. Como un bono adicional, el sistema también eliminaría al mismo tiempo muchos contaminantes, como virus y bacterias.
El nuevo enfoque, llamado «polarización de concentración de iones«, se describe en un artículo del Postdoctorado Asociado Sung Jae Kim y el Profesor Asociado Jongyoon Han, tanto del departamento de Ingeniería Eléctrica y Ciencias de la Computación del MIT, y sus colegas en Corea. El artículo fue publicado el 21 de marzo en la revista Nature Nanotechnology.
Uno de los principales métodos de desalación, llamado ósmosis inversa, utiliza membranas que filtran la sal, pero eso requiere de bombas potentes para mantener la alta presión necesaria para impulsar el agua a través de la membrana, y están sujetas a las incrustaciones y la obstrucción de los poros de la membrana con sal y contaminantes. El nuevo sistema separa las sales y los microbios del agua electrostáticamente, evitando el uso de la membrana con una selección de iones en el sistema, así que el agua nunca necesita pasar a través de una membrana. Esto debería eliminar la necesidad de alta presión y los problemas de suciedad, dicen los investigadores.
El sistema funciona a una escala microscópica, utilizando métodos desarrollados para la fabricación de dispositivos de microfluidos, similar a la fabricación de microchips, pero utilizando materiales como la silicona (caucho sintético). Cada dispositivo individual sólo procesa cantidades mínimas de agua, pero un gran número de ellos (los investigadores prevén una matriz con 1.600 unidades fabricadas en un wafer de 8 pulgadas de diámetro), podrían producir unos 15 litros de agua por hora, lo suficiente como para consumo humano de agua para varias personas. La unidad entera puede ser autónoma y funciona por la gravedad, el agua de sal se vierte en la parte superior, y el agua dulce y salmuera concentrada son recolectadas en dos puntos en el fondo.
El pequeño tamaño de hecho podría ser una ventaja para algunas aplicaciones, explica Kim. Por ejemplo, en una situación de emergencia como consecuencia del terremoto de Haití, la infraestructura de distribución para conseguir agua fresca a la gente que lo necesita en gran medida existe, pero lo pequeño, unidades portátiles que las personas pueden llevar, son las que han sido especialmente útiles.
Hasta ahora, los investigadores han probado con éxito una sola unidad, utilizando agua de mar que recogieron de una playa de Massachusetts. El agua fue deliberadamente contaminado con partículas de plástico, proteínas y sangre humana. La unidad elimina más del 99 por ciento de la sal y otros contaminantes. «Hemos demostrado claramente que podemos hacerlo a nivel de chip de unidad», dice Kim. El trabajo fue financiado principalmente por una subvención de la National Science Foundation, así como una beca del Centro de Innovación SMART .
Si bien la cantidad de electricidad que requiere este método es en realidad un poco más que en la actualidad a gran escala, tales como los métodos de ósmosis inversa, no hay otro método que puede producir la desalinización en pequeña escala en cualquier lugar con cerca de este nivel de eficiencia, dicen los investigadores. Si bien la ingeniería del sistema propuesto sólo utiliza aproximadamente tanta energía como una bombilla convencional.
Mark A. Shannon, del Centro de Materiales Avanzados para la Purificación de Agua con Sistemas en la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign, que no participó en este trabajo, está de acuerdo con esta apreciación. En un comentario que acompaña al artículo en Nature Nanotechnology, escribe que el nuevo sistema logra «tal vez los más bajos consumos de energía para microlitros en la desalinización de agua», y cuando muchos de estas micro-unidades se combinan en paralelo, como Kim y sus colegas proponen, «podría ser utilizado para muchos litros de suministro de agua por hora, utilizando sólo una batería con el flujo del agua por gravedad. Eso responde a una necesidad importante, dice, ya que actualmente hay pocos métodos eficaces para la desalinización en pequeña escala, tanto para situaciones de emergencia como para el uso en zonas remotas los países pobres».
Alex Iles, un científico investigador de la Universidad de Hull en Gran Bretaña, dice que se deben hacer más pruebas para establecer la estabilidad a largo plazo y las técnicas de fabricación, «Este es un concepto nuevo y elegante para la desalación de agua. El dice que si es probable producir a un bajo costo y con un bajo sistema de mantenimiento puede ser «ideal para aplicaciones tales como el alivio de desastres». Cuando se presentó inicialmente en una conferencia a la que asistieron el año pasado, Iles dice: «Pensé que era probablemente la obra nueva más importante en toda la conferencia, aunque fue sólo un póster».
El principio básico que hace posible el sistema, llamado «polarización de concentración de iones«, es un fenómeno ubicuo que ocurre cerca del ion selectivo de materiales (como Nafion, frecuentemente utilizado en pilas de combustible) o de los electrodos, y este equipo y otros investigadores han estado aplicando el fenómeno para otras aplicaciones tales como preconcentración biomolécular. Esta aplicación para la purificación del agua no se ha intentado antes, sin embargo.
La «polarización por concentración de iones» se produce cuando una corriente de iones circula a través de un nanocanal que va seleccionando los iones. El nanocanal se sitúa entre dos microcanales por los que circula el agua de mar y cuando se aplica un voltaje al nanocanal, los iones se llenan en un extremo del nanocanal y se vacían en el opuesto. A consecuencia de ese proceso se repelen los iones salinos del agua marina próximos al nanocanal.
Al convertir uno de los microcanales en dos canales cerca de la zona de repulsión, tan sólo el agua desalada, que no tiene carga iónica alguna, puede atravesar la zona cargada y pasar así a otro canal destinado al agua potable.
Desde la separación se produce electricidad estática, no trabajo para eliminar los contaminantes que no tienen carga eléctrica. Para cuidar de estas partículas restantes -en su mayoría contaminantes industriales-, los investigadores sugieren que la unidad podría combinarse con un sistema de filtro de carbón convencional, así se consigue agua pura y potable a través de un dispositivo muy sencillo.
Después de haber demostrado el principio en un dispositivo de una sola unidad, Kim y Han planean producir una unidad de 100 dispositivos para demostrar la ampliación de este proceso, seguido de un sistema de 10.000 unidades. Ellos estiman que tomará alrededor de dos años antes de que el sistema esté listo para desarrollar un producto.
«Después de eso, dice Kim, vamos a saber si es posible que esto funcione como un sistema robusto y portátil, y qué problemas puede que necesiten arreglarse para verlo trabajando«.
Más información sobre la técnica de polarización por concentración de iones: