La desalinización, el proceso de eliminar la sal del agua de mar para producir agua dulce, es cada vez más vital en las regiones áridas. Sin embargo, genera cantidades significativas de residuos de salmuera, una solución salina concentrada que plantea riesgos ambientales. Investigadores de la Universidad de Michigan han desarrollado nuevas membranas que podrían revolucionar la desalinización al permitir una cristalización de sal y recuperación de minerales más eficientes, minimizando en última instancia los residuos nocivos y haciendo que el proceso sea más sostenible.
Las plantas desalinizadoras, cruciales para proporcionar agua dulce en regiones áridas, se enfrentan a un desafío significativo: la producción de residuos de salmuera dañinos. Este subproducto, generado cuando el agua de mar se convierte en agua potable, plantea problemas ambientales y logísticos. Actualmente, los métodos principales para gestionar la salmuera implican el almacenamiento en estanques de evaporación, la inyección subterránea o el vertido al océano. Sin embargo, estos métodos distan mucho de ser ideales.
El impacto ambiental de la eliminación de la salmuera es sustancial. Los estanques de evaporación requieren grandes cantidades de tierra y pueden provocar la contaminación de las aguas subterráneas si no se gestionan adecuadamente. La inyección subterránea puede alterar las formaciones geológicas y potencialmente contaminar los acuíferos. El vertido al océano, por otro lado, aumenta los niveles de salinidad cerca de las plantas desalinizadoras, dañando los ecosistemas marinos. Un estudio de la ONU destaca la magnitud del problema, revelando que se producen más de 37 mil millones de galones de residuos de salmuera a nivel mundial cada día. Esto subraya la necesidad urgente de soluciones más sostenibles.
Una solución prometedora reside en el desarrollo de una nueva tecnología de membranas. Investigadores de la Universidad de Michigan han creado membranas innovadoras que podrían revolucionar el proceso de desalinización. Estas membranas están diseñadas para minimizar o incluso eliminar los residuos de salmuera al permitir la concentración eficiente de sal. El objetivo es concentrar la sal hasta el punto en que pueda cristalizarse fácilmente en cubas industriales, en lugar de depender de grandes estanques de evaporación.
Las nuevas membranas tienen como objetivo facilitar la extracción de minerales valiosos de la salmuera concentrada. El agua de mar contiene no solo cloruro de sodio (sal de mesa), sino también metales valiosos como litio, magnesio y potasio, que tienen diversas aplicaciones industriales. Al concentrar eficientemente la salmuera, estos valiosos recursos pueden ser cosechados, creando un proceso de desalinización más sostenible y económicamente viable.
El núcleo de la nueva tecnología reside en la electrodiálisis, un proceso que utiliza electricidad para separar la sal del agua. La electrodiálisis es una alternativa prometedora a los métodos tradicionales porque puede operar a altas concentraciones de sal y requiere relativamente poca energía. En este proceso, el agua fluye a través de canales separados por membranas con cargas eléctricas alternas. Los iones de sal positivos se mueven hacia el electrodo con carga negativa y son detenidos por una membrana con carga positiva. Los iones negativos se mueven hacia el electrodo positivo y son detenidos por una membrana negativa. Esto crea corrientes de agua purificada y salmuera concentrada.
Sin embargo, la electrodiálisis enfrenta limitaciones, particularmente en términos de salinidad. A medida que aumentan las concentraciones de sal, los iones tienden a filtrarse a través de las membranas de electrodiálisis existentes, reduciendo la eficiencia. Si bien existen membranas resistentes a las fugas, a menudo transportan iones demasiado lentamente, lo que las hace poco prácticas para salmueras altamente concentradas. Los investigadores de la Universidad de Michigan han abordado este desafío desarrollando membranas con propiedades mejoradas.
Los investigadores han superado los límites de salinidad al empaquetar un número récord de moléculas cargadas en la membrana. Esto aumenta el poder de repulsión de iones y la conductividad de las membranas. Las nuevas membranas son diez veces más conductivas que las membranas a prueba de fugas existentes. Esta conductividad mejorada permite un transporte de sal más eficiente, lo que reduce los requisitos de energía y mejora el rendimiento general del proceso de electrodiálisis.
Una innovación clave en las nuevas membranas es el uso de conectores de carbono para evitar la hinchazón. La carga densa dentro de las membranas convencionales atrae moléculas de agua, lo que puede hacer que las membranas se hinchen y diluyan la carga. Los conectores de carbono en las nuevas membranas bloquean las moléculas cargadas juntas, evitando la hinchazón y manteniendo la alta concentración de carga.
La personalización de las nuevas membranas es otra ventaja significativa. El nivel de restricción se puede ajustar para controlar la fugacidad y la conductividad de las membranas. Esto permite a los investigadores adaptar las membranas a aplicaciones específicas. Permitir cierto nivel de fugacidad puede impulsar la conductividad más allá de las membranas disponibles comercialmente en la actualidad.
Los investigadores son optimistas sobre el impacto potencial de su tecnología. Creen que la personalización de las membranas facilitará su adopción generalizada. El agua es un recurso esencial, y hacer de la desalinización una solución sostenible a la crisis mundial del agua es el objetivo final. La investigación fue financiada por el Departamento de Energía de los Estados Unidos y se basó en las instalaciones de rayos X financiadas por la NSF en el Centro de Ingeniería y Ciencias de Investigación de Materiales de la Universidad de Pensilvania. El equipo ha solicitado la protección de patentes con la ayuda de U-M Innovation Partnerships.
Nuevas membranas desarrolladas en la Universidad de Michigan ofrecen una solución prometedora al problema de los residuos salinos de la desalinización, permitiendo una cristalización eficiente de la sal y la extracción de minerales mediante electrodiálisis mejorada. Estas membranas, con una densidad iónica y conductividad sin precedentes, a la vez que minimizan la hinchazón, podrían reducir significativamente el impacto ambiental y el consumo de energía, allanando el camino hacia un enfoque más sostenible para abordar la escasez mundial de agua. La investigación adicional y la adopción industrial son cruciales para desbloquear todo el potencial de esta tecnología y asegurar un futuro donde la desalinización contribuya, en lugar de restar, a la salud ambiental.
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