Investigadores del MIT han desarrollado una unidad de desalinización portátil, que pesa menos de 10 kilogramos, que puede eliminar partículas y sales para generar agua potable.

El dispositivo del tamaño de una maleta, que requiere menos energía para funcionar que un cargador de teléfono celular, también puede funcionar con un pequeño panel solar portátil, que se puede comprar en línea por alrededor de $50. Genera automáticamente agua potable que supera los estándares de calidad de la Organización Mundial de la Salud. La tecnología está empaquetada en un dispositivo fácil de usar que se ejecuta con solo presionar un botón.

A diferencia de otras unidades portátiles de desalinización que requieren que el agua pase a través de filtros, este dispositivo utiliza energía eléctrica para eliminar partículas del agua potable. La eliminación de la necesidad de filtros de reemplazo reduce en gran medida los requisitos de mantenimiento a largo plazo.

Esto podría permitir que la unidad se despliegue en áreas remotas y con recursos severamente limitados, como comunidades en islas pequeñas o a bordo de buques de carga marítimos. También podría usarse para ayudar a los refugiados que huyen de desastres naturales o por soldados que llevan a cabo operaciones militares a largo plazo.

“Esta es realmente la culminación de un viaje de 10 años en el que mi grupo y yo hemos estado.

Jongyoon Han,

Trabajamos durante años en la física detrás de los procesos de desalinización individuales, pero poner todos esos avances en una caja, construir un sistema y demostrarlo en el océano, fue una experiencia realmente significativa y gratificante para mí”, dice el autor principal Jongyoon Han, profesor de ingeniería eléctrica e informática y de ingeniería biológica, y miembro del Laboratorio de Investigación en Electrónica (RLE).

Junto a Han en el artículo están el primer autor Junghyo Yoon, científico investigador en RLE; Hyukjin J. Kwon, ex postdoctorado; SungKu Kang, un postdoctorado en la Universidad Northeastern; y Eric Brack del Comando de Desarrollo de Capacidades de Combate del Ejército de EE. UU. (DEVCOM). La investigación ha sido publicada en línea en Environmental Science and Technology.

De agua de mar a agua potable, con solo presionar un botón

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Las unidades de desalinización portátiles disponibles comercialmente generalmente requieren bombas de alta presión para empujar el agua a través de los filtros, que son muy difíciles de miniaturizar sin comprometer la eficiencia energética del dispositivo, explica Yoon.

Junghyo Yoon

En cambio, su unidad se basa en una técnica llamada polarización por concentración de iones (ICP), que fue iniciada por el grupo de Han hace más de 10 años. En lugar de filtrar el agua, el proceso ICP aplica un campo eléctrico a las membranas colocadas por encima y por debajo de un canal de agua. Las membranas repelen partículas cargadas positiva o negativamente, incluidas moléculas de sal, bacterias y virus, a medida que pasan. Las partículas cargadas se canalizan hacia una segunda corriente de agua que finalmente se descarga.

El proceso elimina tanto los sólidos disueltos como los suspendidos, lo que permite que el agua limpia pase por el canal. Dado que solo requiere una bomba de baja presión, ICP utiliza menos energía que otras técnicas.

Pero ICP no siempre elimina todas las sales que flotan en medio del canal. Entonces, los investigadores incorporaron un segundo proceso, conocido como electrodiálisis, para eliminar los iones de sal restantes.

El dispositivo portátil no requiere filtros de reemplazo, lo que reduce en gran medida los requisitos de mantenimiento a largo plazo. (Foto por M. Scott Brauer)

Yoon y Kang utilizaron el aprendizaje automático para encontrar la combinación ideal de ICP y módulos de electrodiálisis. La configuración óptima incluye un proceso ICP de dos etapas, con agua fluyendo a través de seis módulos en la primera etapa y luego a través de tres en la segunda etapa, seguido de un solo proceso de electrodiálisis. Esto minimizó el uso de energía al tiempo que garantiza que el proceso siga siendo autolimpiante.

“Si bien es cierto que algunas partículas cargadas podrían capturarse en la membrana de intercambio iónico, si quedan atrapadas, simplemente invertimos la polaridad del campo eléctrico y las partículas cargadas se pueden eliminar fácilmente”, explica Yoon.

Redujeron y apilaron los módulos ICP y de electrodiálisis para mejorar su eficiencia energética y permitirles caber dentro de un dispositivo portátil. Los investigadores diseñaron el dispositivo para no expertos, con solo un botón para iniciar el proceso automático de desalinización y purificación. Una vez que el nivel de salinidad y la cantidad de partículas disminuyen a umbrales específicos, el dispositivo notifica al usuario que el agua es potable.

Los investigadores también crearon una aplicación para teléfonos inteligentes que puede controlar la unidad de forma inalámbrica y reportar datos en tiempo real sobre el consumo de energía y la salinidad del agua.

Pruebas de playa

Después de realizar experimentos de laboratorio con agua con diferentes niveles de salinidad y turbidez (nubosidad), probaron el dispositivo en Carson Beach en Boston.

Yoon y Kwon colocaron la caja cerca de la orilla y arrojaron el tubo de alimentación al agua. En aproximadamente media hora, el dispositivo llenó un vaso de plástico con agua limpia y potable.

“Tuvo éxito incluso en su primera ejecución, que fue bastante emocionante y sorprendente. Pero creo que la razón principal por la que tuvimos éxito es la acumulación de todos estos pequeños avances que hicimos en el camino”, dice Han.

El agua resultante superó las pautas de calidad de la Organización Mundial de la Salud y la unidad redujo la cantidad de sólidos en suspensión en al menos un factor de 10. Su prototipo genera agua potable a una velocidad de 0,3 litros por hora y requiere solo 20 vatios de potencia por litro. .

“En este momento, estamos impulsando nuestra investigación para aumentar esa tasa de producción”, dice Yoon.

Uno de los mayores desafíos al diseñar el sistema portátil fue diseñar un dispositivo intuitivo que cualquiera pudiera usar, dice Han.

Yoon espera hacer que el dispositivo sea más fácil de usar y mejorar su eficiencia energética y tasa de producción a través de una startup que planea lanzar para comercializar la tecnología.

En el laboratorio, Han quiere aplicar las lecciones que aprendió 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.

De agua de mar a agua potable, con solo presionar un botón “Este es definitivamente un proyecto emocionante, y estoy orgulloso del progreso que hemos logrado hasta ahora, pero aún queda mucho trabajo por hacer”, dice.

Por ejemplo, mientras que “el desarrollo de sistemas portátiles que utilizan procesos de electromembrana es una dirección original y emocionante en la desalinización a pequeña escala fuera de la red”, los efectos del ensuciamiento, especialmente si el agua tiene mucha turbidez, podrían aumentar significativamente los requisitos de mantenimiento y costos de energía, señala Nidal Hilal, profesor de ingeniería y director del centro de investigación del agua de Abu Dhabi de la Universidad de Nueva York, que no participó en esta investigación.

“Otra limitación es el uso de materiales caros”, añade. «Sería interesante ver sistemas similares con materiales de bajo costo».

La investigación fue financiada, en parte, por el DEVCOM Soldier Center, el Abdul Latif Jameel Water and Food Systems Lab (J-WAFS), el Experimental AI Postdoc Fellowship Program de Northeastern University y el Roux AI Institute.