Reducir los tratamientos con ácidos y bases en las plantas de desalinización convencionales ahorraría miles de millones de dólares en todo el mundo, convirtiendo el agua de mar en una opción más asequible para consumir.
Así lo aseguran ingenieros de las universidades estadounidenses de Michigan y Rice que describen los pormenores de la innovadora tecnología, a base de nuevos electrodos de tela de carbono en las plantas de desalinización de agua, que reemplazan a los costosos productos químicos, para eliminar el boro del agua de mar. Este paso es esencial para convertirla en agua potable segura.
Como resumen del estudio que aparece en Nature Water, sus autores hacen hincapié en que la eliminación selectiva de trazas contaminantes del agua sigue siendo un desafío crucial en su tratamiento.
El boro se considera traza contaminante presente en el mar y se ha detectado ampliamente en aguas subterráneas. Los métodos actuales para su eliminación, como la ósmosis inversa de múltiples etapas y la adsorción por intercambio iónico, necesitan un uso intensivo de sustancias químicas y de energía, lo que requiere el desarrollo de tecnologías más sostenibles.
En este estudio sus autores abordan este desafío mediante el desarrollo de electrodos microporosos funcionalizados en la superficie que permiten la electrosorción asistida por membrana bipolar selectiva de boro.
Así han demostrado que “la funcionalización de microporos con grupos funcionales que contienen oxígeno (hidroxilo, lactona y carboxilo) y boro selectivo (dopamina, 3-metilamino-1,2-propanodiol y N -metil- D -glucamina) mejora sustancialmente el rendimiento del electrodo para la eliminación y selectividad de boro”, afirman.
Los electrodos funcionalizados exhiben una selectividad de eliminación de boro que es un orden de magnitud mayor que la del electrodo prístino, lo que facilita la electrosorción de boro con eficiencia energética.
Boro en el agua de mar
“Identificamos -explican- los grupos hidroxilo como factor clave para mejorar el rendimiento y la selectividad de la eliminación de boro durante la electrosorción. Las simulaciones de dinámica molecular demuestran los mecanismos subyacentes de la selectividad del boro, destacando el papel de los enlaces de hidrógeno entre los grupos hidroxilo y el boro en el control del proceso de electrosorción selectiva del boro”.
Los niveles de boro en el agua de mar son aproximadamente el doble de los límites más indulgentes de la Organización Mundial de la Salud para el agua potable segura, y de cinco a 12 veces más altos que la tolerancia de numerosas plantas agrícolas.
“La mayoría de las membranas de ósmosis inversa no eliminan mucho boro, por lo que las plantas de desalinización normalmente tienen que hacer un tratamiento posterior para deshacerse del boro, lo que puede ser costoso”, matiza el profesor Jovan Kamcev, miembro del equipo. “Desarrollamos una nueva tecnología que es bastante escalable -destaca- y puede eliminar el boro de una manera energéticamente eficiente, en comparación con algunas de las tecnologías convencionales”.
En el agua de mar, el boro existe como ácido bórico eléctricamente neutro, por lo que pasa a través de membranas de ósmosis inversa que normalmente eliminan la sal al repeler átomos y moléculas con carga eléctrica llamados iones.
Para solucionar este problema, en las plantas de desalinización normalmente los técnicos añaden una base al agua tratada, lo que hace que el ácido bórico se cargue negativamente. Otra etapa de ósmosis inversa elimina el boro recién cargado y la base se neutraliza después añadiendo ácido. Esos pasos de tratamiento adicionales pueden ser costosos.
Cambios en el ph
“Nuestro dispositivo reduce las demandas químicas y energéticas de la desalinización del agua de mar, mejorando significativamente la sostenibilidad ambiental y reduciendo los costos hasta en un 15 %, o alrededor de 20 centavos por metro cúbico de agua tratada”, asegura Weiyi Pan, coautor principal del estudio.
Ese tipo de ahorro podría ayudar a que el agua de mar sea una fuente más accesible de agua potable y aliviar la creciente crisis hídrica. Se espera que los suministros de agua dulce cubran el 40% de la demanda para 2030, según un informe de 2023 de la Comisión Mundial sobre la Economía del Agua.
Los nuevos electrodos eliminan el boro atrapándolo dentro de poros repletos de estructuras que contienen oxígeno. Estas estructuras se unen específicamente al boro y dejan pasar otros iones del agua de mar, lo que maximiza la cantidad de boro que pueden capturar.
Pero las estructuras que lo capturan aún necesitan que el boro tenga una carga negativa. En lugar de agregar una base, la carga se crea dividiendo el agua entre dos electrodos, lo que crea iones de hidrógeno positivos e iones de hidróxido negativos.
El hidróxido se adhiere al boro, lo que le otorga una carga negativa que hace que se adhiera a los sitios de captura dentro de los poros del electrodo positivo. La captura de boro con los electrodos también permite que las plantas de tratamiento eviten gastar más energía en otra etapa de ósmosis inversa. Después, los iones de hidrógeno e hidróxido se recombinan para producir agua neutra sin boro.
En este sentido, Menachem Elimelech, miembro del equipo, hace hincapié en que “nuestro estudio presenta una plataforma versátil que aprovecha los cambios de pH que podrían transformar otros contaminantes, como el arsénico, en formas fácilmente eliminables”.