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

El dispositivo del tamaño de una maleta, requiere menos energía para funcionar que un cargador de teléfono celular, también puede ser impulsado por un pequeño panel solar portátil, que se puede comprar en línea por alrededor de 50 $. Genera automáticamente agua potable que excede 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 de desalinización portátiles que requieren que el agua pase a través de los filtros, este dispositivo utiliza energía eléctrica para eliminar las 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 desplegara en áreas remotas y con recursos limitados, como comunidades en islas pequeñas o a bordo de buques de carga marítimos. También podría ser utilizado 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. Trabajamos durante años en la física detrás de los procesos de desalinización individuales, pero empujar 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 y ciencias de la computación y de ingeniería biológica, y miembro del Laboratorio de Investigación de Electrónica (RLE).

Junto a Han en el artículo están el primer autor Junghyo Yoon, un 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 los Estados Unidos (DEVCOM). La investigación ha sido publicada en línea en Environmental Science and Technology.

Tecnología sin filtros

Las unidades de desalinización portátiles disponibles en el mercado 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.

En cambio, su unidad se basa en una técnica llamada polarización de 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 las partículas cargadas positiva o negativamente, incluidas las moléculas de sal, las bacterias y los virus, a medida que pasan. Las partículas cargadas se canalizan en una segunda corriente de agua que finalmente se descarga.

El proceso elimina los sólidos disueltos y suspendidos, permitiendo que el agua limpia pase a través del canal. Dado que solo requiere una bomba de baja presión, ICP utiliza menos energía que otras técnicas.

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

Yoon y Kang utilizaron el aprendizaje automático para encontrar la combinación ideal de módulos de ICP y electrodiálisis. La configuración óptima incluye un proceso ICP de dos etapas, con agua que fluye 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 permanezca 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.

Encogieron 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 un solo botón para iniciar el proceso automático de desalinización y purificación. Una vez que el nivel de salinidad y el número 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 e informar datos en tiempo real sobre el consumo de energía y la salinidad del agua.

Pruebas en la playa

Después de realizar experimentos de laboratorio utilizando agua con diferentes niveles de salinidad y turbidez (nubosidad), probaron el dispositivo en Carson Beach de 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 había llenado un vaso de plástico con agua clara y potable.

«Tuvo éxito incluso en su primera carrera, lo cual 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 excedió las pautas de calidad de la Organización Mundial de la Salud, y la unidad redujo la cantidad de sólidos suspendidos 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 del diseño del sistema portátil fue la ingeniería de un dispositivo intuitivo que pudiera ser utilizado por cualquier persona, 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 ha aprendido en la última década a los problemas de calidad del agua que van más allá de la desalinización, como la detección rápida de contaminantes en el agua potable.

«Este es definitivamente un proyecto emocionante, y estoy orgulloso del progreso que hemos logrado hasta ahora, pero todavía hay mucho trabajo por hacer», dice.

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.

Imagen: M. Scott Brauer