Tecnologías innovadoras avanzan en su aprovechamiento
7 sep 2020
Nuestro Planeta es azul. La singular experiencia de los astronautas como privilegiados espectadores de ver “nuestra casa común” desde el espacio, lo ratifican. Frágil, solitario, extraordinariamente bello, es como una burbuja de agua flotando en la inmensidad.
Quizás lo más llamativo es que lo llamemos Tierra cuando parece más bien de agua. Es que el 71% de su superficie está cubierto por ella y menos del 30% es masa continental. Pero no debe llamarnos a engaño: estamos hablando solo de su cubierta. En términos de la masa total del Planeta, el agua es tan solo un 0,02% y el agua dulce tan solo el 0,7% de ese pequeño 0,02%, como lo explica Marga Arzábal (Vix.es).
A ello debe agregarse que de la cantidad total, el 96,5% es agua salada, distribuida a los largo de los océanos y tan solo el restante 3,5% es agua dulce que se encuentra en lagos, ríos y arroyos, en acuíferos naturales subterráneos, y sobre todo, en forma de hielo (69%) en los casquetes polares y las cumbres montañosas. Es decir que el agua dulce disponible representa tan solo el 1,2% del agua planetaria.
El cambio climático está agravando la situación de carencia de un recurso que es vital para los cultivos y la supervivencia humana. Y científicos de todo el mundo buscan avanzar en tecnologías innovadoras que nos permitan un aprovechamiento eficiente, abundante y sostenible del agua de mar y que a la vez, permita eliminar su contaminación actual.
agua de mar potable en 30 minutos
Es lo que parecen haber alcanzado un grupo de científicos del Departamento de Ingeniería Química de la de la Universidad de Monash (Australia), que ha descubierto una forma de llevar agua a millones de personas.
Un equipo internacional de investigadores, liderado por el profesor Huanting Wang e integrado por Huacheng Zhang, Vinh X. Truong, Ranwen Ou, y Lian Zhang, entre otros, consiguió transformar agua de mar en agua potable, limpia y segura, en menos de 30 minutos, utilizando marcos de metal-orgánicos (MOF) y luz solar.
Los resultados, que se publicaron a mediados de agosto pasado en la prestigiosa revista ‘Nature Sustainability, constituyen un descubrimiento que podría significar la solución a la carencia hidríca para millones de personas en el mundo.
Para el profesor Wang, formado en ciencia e ingeniería de materiales en la Universidad de Ciencia y Tecnología de China y con un posdoctorado en el Instituto de Tecnología de California, considera que el avance abre una nueva dirección para el diseño de materiales sensibles a los estímulos para la desalinización y purificación de agua energéticamente eficientes y sostenibles.
“La desalinización se ha utilizado para abordar la creciente escasez de agua a nivel mundial. Debido a la disponibilidad de agua salobre y agua de mar, y debido a que los procesos de desalinización son confiables, el agua tratada puede integrarse dentro de los sistemas acuáticos existentes con riesgos mínimos para la salud”, señala Wang. “Pero los procesos de desalinización térmica por evaporación consumen mucha energía y otras tecnologías, como la ósmosis inversa, tienen una serie de inconvenientes, incluido el alto consumo de energía y el uso de productos químicos en la limpieza y decloración de membranas”.
El científico resalta que “la luz solar es la fuente de energía más abundante y renovable en la Tierra. Nuestro desarrollo de un nuevo proceso de desalinización por adsorción mediante el uso de la luz solar para la regeneración proporciona una solución de desalinización eficiente en cuanto a la energía y sostenible desde el punto de vista ambiental”.
Las estructuras metal-orgánicas (MOF) son una clase de compuestos que consisten en iones metálicos que forman un material cristalino con la mayor superficie de cualquier material conocido. Son tan porosos que podrían hacer caber el equivalente a la superficie de un campo de fútbol en una cuchara de té.
El equipo de Monash creó una específica llamada PSP-MIL-53, mediante la introducción de poli (acrilato de espiropirano) (PSP) en los poros de MIL-53, un MOF especializado bien conocido por sus efectos respiratorios y transiciones sobre la adsorción de moléculas como agua y dióxido de carbono.
La investigación demostró que las técnicas de filtrado de partículas de agua nocivas, a través del PSP-MIL-53 permitía producir unos impresionantes 139,5 litros de agua dulce por kg de MOF por día, con un mínimo consumo de energía.
“La luz solar –recuerda Wang– es la fuente de energía más abundante y renovable de la Tierra. Nuestro desarrollo de un nuevo proceso de desalinización basado en adsorbentes mediante el uso de la luz solar para la regeneración proporciona una solución de desalinización que ahorra energía y es ambientalmente sostenible… Este estudio ha demostrado con éxito que los MOF fotosensibles son un adsorbente prometedor, energéticamente eficiente y sostenible para la desalinización”.
Según la OMS, para que el agua potable alcance un nivel de buena calidad, debe contener un total de sólidos disueltos (TDS) de menos de 600 partes por millón (ppm). Para su propia sorpresa, los científicos de Monash lograron un TDS de menos de 500 ppm en media hora, regenerando el MOF para su reutilización en solo cuatro minutos bajo la luz solar.
Wang destaca la durabilidad y sostenibilidad del uso de este MOF para futuras soluciones de agua limpia: “Este estudio ha demostrado con éxito que los MOF fotosensibles son un adsorbente prometedor, energéticamente eficiente y sostenible para la desalinización”.
Pero el hallazgo puede ir más allá. Como adelanta el profesor Wang: “Estos MOF sensibles a la luz solar pueden potencialmente funcionalizarse incluso para obtener medios de extracción de minerales de baja energía y respetuosos con el medio ambiente para una minería sostenible y otras aplicaciones similares”.
“Nuestro trabajo proporciona una nueva e interesante ruta para el diseño de materiales funcionales para utilizar energía solar para reducir la demanda de energía y mejorar la sostenibilidad de la desalinización del agua”.
Hidrógeno a partir de agua salada contaminada
Pero la lucha de científicos por enfrentar los graves desafíos que presenta nuestro Planeta, hace que los esfuerzos y los hallazgos de materiales innovadores se multipliquen cada día.
Científicos de la Universidad Politécnica de Tomsk (TPU- Rusia) junto con equipos de las Universidades de Química y Tecnología de Praga y Jan Evangelista Purkyne (R. Checa), han avanzado con el desarrollo de un nuevo material 2-D, que genera de manera eficiente, moléculas de hidrógeno, base de la energía alternativa, a partir de agua dulce, salada y contaminada por exposición a la luz solar, que permitirían el aprovechamiento del agua salada como una nueva alternativa energética.
El equipo, integrado por Olga Guselnikova, Andrii Trelin, Elena Miliutina, Roman Elashnikov y otros, publicó el pasado mes de junio en ACS Applied Materials & Interfaces los importantes avances obtenidos, para favorecer el camino hacia una transición energética sostenible a nivel global.
Olga Guselnikova, una de las autoras e investigadora de la Escuela de Investigación de Química y Ciencias Biomédicas Aplicadas de TPU explica su trascendencia: “El hidrógeno es una fuente alternativa de energía y el desarrollo de tecnologías de hidrógeno puede convertirse en una solución al desafío energético global. Pero persisten hay una serie de problemas por resolver. En especial, encontrar métodos eficientes y ecológicos para producir hidrógeno. Uno de los métodos principales es descomponer el agua por exposición a la luz solar. Hay mucha agua en nuestro planeta, pero solo unos pocos métodos adecuados para la sal o el agua contaminada. Además, pocos usan el espectro infrarrojo, que es 43% de toda la luz solar”.
La utilización eficiente de la energía solar es una tarea prioritaria del presente y del futuro próximo. Por lo tanto, la preparación de materiales innovadores, apropiados para recolectar y utilizar el amplio rango de longitud de onda de la luz solar (especialmente la región de luz infrarroja cercana –NIR– comúnmente ignorada) constituye un desafío de primera magnitud para la ciencia actual.
El material desarrollado por los investigadores es una estructura de tres capas con un espesor de 1 micrómetro. La inferior es una delgada película de oro, la segunda está hecha de platino de 10 nanómetros y la tercera es una película de estructuras metálicas orgánicas de compuestos de cromo y moléculas orgánicas.
Los experimentos han demostrado que 100 centímetros cuadrados del material pueden generar 0,5 litros de hidrógeno en una hora. Es una de las tasas más altas registradas para materiales 2-D, señala Guselnikova.
El avance logrado por el equipo proporciona heteroestructuras flexibles bidimensionales (2D) diseñadas racionalmente con actividad fotocatalítica para la producción de ‘hidrógeno limpio’ bajo iluminación NIR, con una tasa de producción de hidrógeno superior a la mayoría de los materiales 2D y la capacidad de utilizar el agua de mar como material de partida.
Un hallazgo colateral, según Guselnikova, es que “en este caso, el marco órgano-metálico también actuó como un filtro. Filtró impurezas y pasó agua ya purificada sin impurezas a la capa metálica. Es muy importante porque, aunque hay mucha agua en la Tierra, su principal el volumen es agua salada o contaminada. Por lo tanto, deberíamos estar listos para trabajar con este tipo de agua”.
En la producción eficiente de energías alternativas, el hidrógeno constituye uno de los elementos clave. Desde hace algunos años, el hidrógeno –presente en multitud de procesos industriales– está en el centro de muchas investigaciones dirigidas a lograr energías renovables que permitan terminar con los combustibles fósiles como fuente energética, que constituyen el mayor factor de contaminación ambiental y la principal causa del cambio climático.
Es el elemento químico más abundante en el Universo, ya que constituye casi el 75% de la materia visible. Pero en forma elemental es relativamente raro en la Tierra. Se produce industrialmente a partir de hidrocarburos para el mejoramiento de combustibles fósiles (hidrocraking) y la producción de amoníaco para fertilizantes. El hidrógeno puede obtenerse a partir del agua por un proceso de electrólisis o de gas natural, métodos caros e intensivos en energía y por tanto, no sostenibles.
La posibilidad de incorporar energía solar para su producción puede tener enorme relevancia. En la búsqueda de sostenibilidad energética, el hidrógeno almacenado como electricidad y posteriormente, utilizado en diversos usos industriales, devolviendo después el agua al medio, es el “cuenco del oro” de muchos esfuerzos científicos.
Gracias al descubrimiento del nuevo material de la Politécnica de Tomsk y sus colegas checas, la ciencia está más cerca de posicionar al hidrógeno como solución al reto energético global que el mundo está enfrentando, debido a la escasez y extremada contaminación de los combustibles fósiles.
La investigación avanza en dos áreas importantes: 1. la utilización del espectro infrarrojo para separar el hidrógeno del agua con luz solar y 2. la materia prima es agua contaminada, lo que permite reducir la huella de carbono existente y no consumir recursos de agua limpia, lo que se consigue gracias a que el marco órgano-metálico actúa como un filtro de impurezas, purificando el agua para devolverla al medio.
Hoy el nuevo material 2D de Tomsk y sus colegas, genera eficientemente moléculas de hidrógeno, base de la energía alternativa, a partir de agua dulce, salada y contaminada por exposición a la luz solar. En el futuro, los científicos esperan mejorar el material para hacerlo eficiente tanto para el espectro infrarrojo como para el visible. “El material ya demuestra una cierta absorción en el espectro de luz visible, pero su eficiencia es ligeramente menor que en el espectro infrarrojo. Después de la mejora, será posible decir que el material funciona con el 93% del volumen espectral de la luz solar”, señala Guselnikova.
La situación ambiental es severa pero esfuerzos científicos en todo el mundo están buscando y alcanzando soluciones. Requiere que los oigamos y apoyemos.