Tecnología emergente para purificar el agua

Con la escasez de agua como desafío crítico en todo el mundo, los científicos e ingenieros están buscando nuevas formas de cosechar agua purificada de fuentes no convencionales, como el agua de mar o incluso las aguas residuales.

Tiezheng Tong, profesor asistente en el Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental, está estudiando una tecnología emergente llamada destilación de membrana. Esta tecnología implica una membrana delgada repelente al agua que explota las diferencias de presión de vapor entre el líquido impuro más caliente, llamado “agua de alimentación” y el agua purificada más fría, llamada “permeado”.

Un proceso para tratar el agua salada

Durante este proceso, el vapor de agua pasa a través de la membrana y se separa del agua de alimentación salada o sucia. Según Tong, esta destilación funciona mejor que otras tecnologías como la ósmosis inversa, que no puede tratar el agua extremadamente salada.

Se trata de una tecnología muy prometedora, pero no funciona perfectamente. De ahí, que un desafío clave se encuentra en diseñar membranas para purificar el agua de manera eficiente mientras se garantiza una contaminación cero del agua limpia.

Tong y el científico de materiales Arun Kota en el Departamento de Ingeniería Mecánica unieron fuerzas para llegar a la ciencia detrás del diseño de esa membrana perfecta. En los nuevos experimentos, los investigadores ofrecen nueva información sobre por qué ciertos diseños de membranas utilizados en la destilación de membranas funcionan mejor que otros para conseguir agua purificada.

En el proceso, el agua de alimentación se calienta, separando los componentes puros e impuros por diferencias en la volatilidad. La membrana microporosa es un componente clave para la configuración dado que permite el paso del vapor de agua, pero no así todo el líquido impuro. Típicamente, la membrana está hecha de un material “hidrófobo” o repelente al agua. El fin es dejar pasar solo el vapor de agua a la vez que mantener una barrera para el agua de alimentación.

 

Una tecnología con posibilidades de éxito

Pero estas membranas hidrofóbicas pueden fallar, debido a que el agua de alimentación puede tener baja tensión superficial que permite que el agua de alimentación se filtre a través de los poros de la membrana, contaminando el agua pura, un fenómeno llamado humectación de la membrana.

Investigaciones anteriores revelaron que el uso de membranas “omnifóbicas”, que repelen todos los líquidos, mantienen intacta la separación entre el vapor y el agua. Pero, las membranas omnifóbicas generalmente disminuyen la velocidad y la cantidad de vapor de agua que pasa a través de la membrana. Esto drásticamente la eficiencia de todo el proceso para conseguir agua purificada.

Los investigadores se propusieron descubrir por qué existe esta compensación entre las membranas hidrofóbicas y las omnifóbicas. A través de experimentos sistemáticos, descubrieron que las membranas hidrofóbicas convencionales crean un área interfacial de vapor líquido más grande. Esto aumenta la cantidad de evaporación que tiene lugar. Con las membranas omnifóbicas, vieron una interfaz líquido-vapor mucho más pequeña. Esto explica la diferencia entre el rendimiento de las membranas.

Las membranas omnifóbicas utilizadas en los experimentos se hicieron sin depositar partículas adicionales. Por lo tanto, pudieron determinar que sus observaciones no fueron el resultado de cambios estructurales en las membranas. Sus ideas revelan el desafío central alrededor de conseguir que la destilación de membrana sea una tecnología exitosa. Aunque no ofrecieron una solución a la compensación.

La desalinización y el agua purificada

El agua salada (especialmente el agua de mar) se desala para producir agua apta para el consumo humano o el riego. El subproducto del proceso de desalinización es la salmuera. La desalinización se utiliza en muchos barcos y submarinos de navegación marítima. La mayor parte del interés moderno en la desalinización se centra en el suministro rentable de agua dulce para uso humano. Junto con las aguas residuales recicladas, es una de las pocas fuentes de agua independientes de la lluvia.

Hay aproximadamente 16.000 plantas desaladoras en funcionamiento, ubicadas en 177 países, que generan aproximadamente 95 millones de m3 / día de agua dulce. Actualmente, la desalinización representa alrededor del uno por ciento del agua potable del mundo. La desalinización es particularmente frecuente en países ubicados en la región de Medio Oriente y África del Norte, como Arabia Saudita, los Emiratos Árabes Unidos y Kuwait.

Este método también es una fuente importante de agua en los pequeños estados insulares en desarrollo. La desalinización del agua de mar es generalmente más costosa que el agua dulce de las aguas superficiales o subterráneas. Sin embargo, estas alternativas no siempre están disponibles y el agotamiento de las reservas es un problema crítico en todo el mundo.