Jovan Kamcev, profesor asistente de ingeniería química, coloca una membrana en un dispositivo de electrodiálisis. Crédito: Marcin Szczepanski/Michigan Engineering
Las plantas de desalinización, una fuente importante y creciente de agua dulce en regiones secas, podrían producir desechos menos dañinos utilizando electricidad y nuevas membranas hechas en la Universidad de Michigan.
Las membranas podrían ayudar a las plantas de desalinización a minimizar o eliminar los desechos de salmuera producidos como un subproducto de convertir el agua de mar en agua potable. Hoy, los desechos de salmuera líquida se almacenan en estanques hasta que el agua se evapora, dejando una sal sólida o una salmuera concentrada que puede procesarse más. Pero la salmuera necesita tiempo para evaporar, brindando amplias oportunidades para contaminar el agua subterránea.
El espacio también es un problema. Por cada litro de agua potable producida en la planta de desalinización típica, se producen 1,5 litros de salmuera. Según un estudio de la ONU, se producen más de 37 mil millones de galones de desechos de salmuera a nivel mundial todos los días. Cuando falta espacio para los estanques de evaporación, las plantas de desalinización inyectan la salmuera bajo tierra o la tiran al océano. El aumento de los niveles de sal cerca de las plantas de desalinización puede dañar los ecosistemas marinos.
“Hay un gran impulso en la industria de la desalinización para una mejor solución”, dijo Jovan Kamcev, profesor asistente de ingeniería química de UM y autor correspondiente de un estudio publicado en Nature Chemical Engineering. “Nuestra tecnología podría ayudar a las plantas de desalinización a ser más sostenibles al reducir los desechos mientras usa menos energía”.
Para eliminar los desechos de salmuera, a los ingenieros de desalinización les gustaría concentrar la sal de tal manera que se pueda cristalizar fácilmente en depósitos industriales en lugar de estanques que pueden ocupar más de cien acres. El agua separada podría usarse para beber o agricultura, mientras que la sal sólida podría cosecharse para productos útiles. El agua de mar no solo contiene cloruro de sodio, o sal de mesa, sino metales valiosos como litio para baterías, magnesio para aleaciones livianas y potasio para fertilizantes.
Las plantas de desalinización pueden concentrar las salmueras calentando y evaporando el agua, que es muy intensiva en energía, o con ósmosis inversa, que solo funciona a una salinidad relativamente baja. La electrodiálisis es una alternativa prometedora porque funciona a altas concentraciones de sal y requiere relativamente poca energía. El proceso utiliza electricidad para concentrar la sal, que existe en agua como átomos y moléculas cargados llamados iones.
Crédito: Ingeniería de la Universidad de Michigan
Así es como funciona el proceso. El agua fluye a muchos canales separados por membranas, y cada membrana tiene una carga eléctrica opuesta a la de sus vecinos. Toda la corriente está flanqueada por un par de electrodos.
Los iones de sal positivos se mueven hacia el electrodo cargado negativamente y se detienen por una membrana cargada positivamente. Los iones negativos se mueven hacia el electrodo positivo, detenido por una membrana negativa. Esto crea dos tipos de canales, uno que los iones positivos y negativos dejan y otro que entran los iones, lo que resulta en corrientes de agua purificada y salmuera concentrada.
Pero, la electrodiálisis tiene sus propios límites de salinidad. A medida que aumentan las concentraciones de sal, los iones comienzan a filtrarse a través de membranas de electrodiálisis. Si bien existen membranas resistentes a las fugas en el mercado, tienden a transportar iones demasiado lentamente, lo que hace que los requisitos de energía sean poco prácticos para las salmueras más de seis veces más saladas que el agua de mar promedio.
Los investigadores superaron este límite empacando un número récord de moléculas cargadas en la membrana, aumentando su poder de repente iónico y su conductividad, lo que significa que pueden mover más sal con menos poder. Con su química, los investigadores pueden producir membranas que son diez veces más conductoras que las membranas relativamente a prueba de fugas en el mercado hoy en día.
La carga densa normalmente atrae a muchas moléculas de agua, lo que limita la cantidad de carga que puede caber en las membranas de electrodiálisis convencionales. Las membranas se hinchan a medida que absorben agua, y la carga se diluye. En las nuevas membranas, los conectores hechos de carbono evitan la hinchazón al bloquear las moléculas cargadas.
El nivel de restricción se puede cambiar para controlar la fuga y la conductividad de las membranas. Permitir cierto nivel de fuga puede empujar la conductividad más allá de las membranas disponibles comercialmente de hoy. Los investigadores esperan que la personalización de la membrana ayude a despegar.
“Cada membrana no es adecuada para cada propósito, pero nuestro estudio demuestra una amplia gama de opciones”, dijo David Kitto, miembro postdoctoral en ingeniería química y el primer autor del estudio. “El agua es un recurso tan importante, por lo que sería sorprendente ayudar a que la desalinización sea una solución sostenible para nuestra crisis global del agua”.
Más información: David Kitto et al, transporte de iones rápido y selectivo en membranas de densidad de ultrahigh-carge, Nature Chemical Engineering (2025). Doi: 10.1038/s44286-025-00205-x
Proporcionado por la Universidad de Michigan
Cita: hacer que la desalinización sea más ecológica: las nuevas membranas podrían ayudar a eliminar los desechos de salmuera (2025, 15 de abril) Recuperado el 15 de abril de 2025 de https://techxplore.com/news/2025-04-Desalination-Co-friendly-membranes.html
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