Una nueva unidad portátil podría facilitar mucho la eliminación de la sal del agua para obtener agua potable.
El dispositivo necesita menos energía para funcionar que un cargador de teléfono móvil y puede alimentarse con un pequeño panel solar.
Utiliza energía eléctrica para eliminar la sal, mientras que las unidades tradicionales requieren filtros.
Otras unidades son difíciles de miniaturizar porque necesitan bombas de alta presión para impulsar el agua a través de sus filtros.
El nuevo dispositivo podría ayudar a zonas con graves limitaciones de recursos, como comunidades de pequeñas islas o barcos de carga.
Investigadores del MIT han desarrollado una unidad portátil de desalinización, de menos de 10 kilogramos de peso, capaz de eliminar partículas y sales para producir agua potable.
El dispositivo, del tamaño de una maleta, necesita menos energía para funcionar que un cargador de teléfono móvil y también puede alimentarse con un pequeño panel solar portátil, que se puede comprar en línea por unos 50 dólares. Produce automáticamente agua potable que supera los estándares de calidad de la Organización Mundial de la Salud. La tecnología está integrada en un dispositivo fácil de usar que funciona con solo pulsar un botón.
A diferencia de otras unidades portátiles de desalinización, que requieren que el agua pase por filtros, este dispositivo utiliza energía eléctrica para eliminar partículas del agua potable. Al prescindir de filtros de recambio, reduce considerablemente las necesidades de mantenimiento a largo plazo.
Esto podría permitir desplegar la unidad en zonas remotas con graves limitaciones de recursos, como comunidades de pequeñas islas o barcos de carga que navegan por el mar. También podría utilizarse para ayudar a refugiados que huyen de desastres naturales o a soldados que realizan operaciones militares de larga duración.
«Esto es realmente la culminación de un recorrido de 10 años que mi grupo y yo hemos emprendido. Durante años trabajamos en la física que subyace a procesos individuales de desalinización, pero reunir todos esos avances en una caja, construir un sistema y demostrarlo en el océano fue una experiencia muy significativa y gratificante para mí», afirma el autor principal, Jongyoon Han, profesor de ingeniería eléctrica y ciencias de la computación e ingeniería biológica, y miembro del Laboratorio de Investigación en Electrónica (RLE).
Junto con Han, firman el artículo Junghyo Yoon, primer autor e investigador científico del RLE; Hyukjin J. Kwon, antiguo investigador posdoctoral; SungKu Kang, investigador posdoctoral de la Universidad Northeastern; y Eric Brack, del Mando de Desarrollo de Capacidades de Combate del Ejército de Estados Unidos (DEVCOM). La investigación se ha publicado en línea en Environmental Science and Technology.
Tecnología sin filtros
Las unidades portátiles de desalinización disponibles comercialmente suelen necesitar bombas de alta presión para impulsar el agua a través de filtros, que son muy difíciles de miniaturizar sin comprometer la eficiencia energética del dispositivo, explica Yoon.
En cambio, su unidad se basa en una técnica llamada polarización por concentración de iones (ICP, por sus siglas en inglés), que el grupo de Han desarrolló hace más de 10 años. En lugar de filtrar el agua, el proceso ICP aplica un campo eléctrico a unas membranas situadas por encima y por debajo de un canal de agua. Las membranas repelen las partículas con carga positiva o negativa —incluidas las moléculas de sal, las bacterias y los virus— cuando estas pasan. Las partículas cargadas se dirigen hacia una segunda corriente de agua que finalmente se descarga.
El proceso elimina tanto los sólidos disueltos como los suspendidos, y permite que el agua limpia pase por el canal. Como solo requiere una bomba de baja presión, el ICP consume menos energía que otras técnicas.
Sin embargo, el ICP no siempre elimina todas las sales que flotan en el centro del canal. Por eso, los investigadores incorporaron un segundo proceso, denominado electrodiálisis, para eliminar los iones de sal restantes.
Yoon y Kang utilizaron aprendizaje automático para encontrar la combinación ideal de módulos de ICP y electrodiálisis. La configuración óptima incluye un proceso de ICP en dos etapas: el agua pasa por seis módulos en la primera etapa y luego por tres en la segunda, seguida de un único proceso de electrodiálisis. Esto minimizó el consumo de energía y garantizó que el proceso se mantuviera autolimpiante.
«Es cierto que algunas partículas cargadas podrían quedar atrapadas en la membrana de intercambio iónico; si eso ocurre, basta con invertir la polaridad del campo eléctrico para eliminar fácilmente esas partículas», explica Yoon.
Redujeron el tamaño de los módulos de ICP y electrodiálisis y los apilaron para mejorar su eficiencia energética y hacer que cupieran en un dispositivo portátil. Los investigadores diseñaron el dispositivo para personas sin conocimientos especializados: basta con pulsar un botón para iniciar el proceso automático de desalinización y purificación. Cuando la salinidad y el número de partículas descienden por debajo de determinados umbrales, el dispositivo avisa al usuario de que el agua es potable.
Los investigadores también crearon una aplicación para teléfonos inteligentes que permite controlar la unidad de forma inalámbrica y consultar en tiempo real datos sobre el consumo de energía y la salinidad del agua.
Pruebas en la playa
Tras realizar experimentos de laboratorio con agua de distintos niveles de salinidad y turbidez (opacidad), probaron el dispositivo sobre el terreno en Carson Beach, en Boston.
Yoon y Kwon colocaron la caja cerca de la orilla y echaron al agua el tubo de alimentación. En aproximadamente media hora, el dispositivo había llenado un vaso de plástico con agua transparente y potable.
«Funcionó desde la primera prueba, algo muy emocionante y sorprendente. Pero creo que la principal razón del éxito fue la acumulación de todos esos pequeños avances que fuimos logrando por el camino», afirma Han.
El agua obtenida superó las directrices de calidad de la Organización Mundial de la Salud, y la unidad redujo al menos diez veces la cantidad de sólidos suspendidos. El prototipo produce agua potable a un ritmo de 0,3 litros por hora y requiere solo 20 vatios de potencia por litro.
«Ahora estamos impulsando nuestra investigación para aumentar ese ritmo de producción», afirma Yoon.
Uno de los mayores desafíos al diseñar el sistema portátil fue desarrollar un dispositivo intuitivo que pudiera utilizar cualquier persona, afirma Han.
Yoon espera que una empresa emergente que planea poner en marcha para comercializar la tecnología haga el dispositivo más fácil de usar y mejore su eficiencia energética y su ritmo de producción.
En el laboratorio, Han quiere aplicar las lecciones aprendidas durante la última década a problemas de calidad del agua que van más allá de la desalinización, como la detección rápida de contaminantes en el agua potable.
«Sin duda, es un proyecto emocionante y estoy orgulloso de los avances que hemos logrado hasta ahora, pero aún queda mucho trabajo por hacer», afirma.
Por ejemplo, aunque «el desarrollo de sistemas portátiles que utilizan procesos de electro-membrana es una vía original y emocionante para la desalinización a pequeña escala y fuera de la red», los efectos de la incrustación, especialmente si el agua tiene una turbidez elevada, podrían aumentar considerablemente las necesidades de mantenimiento y los costes energéticos, señala Nidal Hilal, profesor de ingeniería y director del Centro de Investigación del Agua de la Universidad de Nueva York en Abu Dabi, quien no participó en esta investigación.
«Otra limitación es el uso de materiales caros», añade. «Sería interesante ver sistemas similares que utilicen materiales de bajo coste».
La investigación fue financiada, en parte, por el Centro de Soldados de DEVCOM, el Laboratorio Abdul Latif Jameel de Sistemas de Agua y Alimentación (J-WAFS), el Programa Experimental de Becas Posdoctorales en IA de la Universidad Northeastern y el Instituto de IA Roux.
