Mientras se encuentran en misiones sin acceso a agua limpia, los infantes de marina de los EE. UU. enfrentan el desafío de obtener y almacenar suficiente agua potable para mantenerlos. Los investigadores de Penn State, dirigidos por Chris Arges, profesor asociado de ingeniería química de Penn State, están trabajando para lograr una opción de purificación realista que sea portátil, liviana y fácil de operar.

Él y el co-investigador principal Christopher Gorski, profesor asociado de ingeniería civil y ambiental de Penn State, utilizarán una subvención de tres años de $ 570,000 de la Oficina de Investigación Naval para avanzar en un método de purificación de agua, conocido como desionización capacitiva de membrana (MCDI).

«Aunque la mayor parte de la desalinización global utiliza un proceso conocido como ósmosis inversa en instalaciones de producción centralizadas, no es adecuado para equipos militares, ya que requiere tuberías y hardware de alta presión y es difícil de operar en el campo», dijo Arges. «MCDI, por otro lado, es eficaz, móvil y energéticamente eficiente».

Estimulado por electricidad alimentada por batería o energía solar, MCDI utiliza membranas de intercambio iónico y electrodos porosos para separar iones, como sodio y cloruro, del agua. Según Arges, el método es efectivo para aguas subterráneas o salobres, pero no logra purificar suficientemente las fuentes de agua más concentradas, como el agua de mar.

«La electricidad hace que los iones de sodio migren a través de la membrana de intercambio de cationes a un electrodo con carga negativa, mientras que los iones de cloruro migran a través de la membrana de intercambio de aniones a un electrodo con carga positiva, un proceso que se conoce como principio de electrosorción», dijo Arges. «Capturar los iones del líquido conduce a agua potable desionizada».

A medida que se trata más y más agua en la unidad MCDI, los electrodos se saturan con sal, lo que los hace incapaces de eliminar tanta sal del agua. En ese momento, dijo Arges, los electrodos se pueden regenerar ralentizando el flujo de agua y cambiando la polaridad de la celda.

«Este paso del proceso desperdicia parte del agua, pero también produce energía eléctrica que puede recuperarse y aplicarse al próximo ciclo de desalinización para reducir la carga energética general», dijo Arges. «Esto permite que MDCI siga siendo energéticamente eficiente».

Para mejorar el efecto de MDCI en fuentes de agua más concentradas, Arges y su equipo rediseñarán el módulo de celda electroquímica utilizado en MCDI. Con herramientas del Laboratorio de Nanofabricación en el Instituto de Investigación de Materiales de Penn State, los investigadores fabricarán pozos microscópicos en un patrón entrelazado en la superficie de la membrana. Esto aumenta el área interfacial entre la membrana y los electrodos, mejorando el contacto y reduciendo la distancia que los iones de sodio y cloruro deben recorrer para cruzar la interfaz membrana-electrodo.

Además, los pozos permiten que el material del electrodo almacene más iones de sodio y cloruro. Esto permite a los usuarios purificar el agua durante períodos de tiempo más prolongados antes de recurrir a la regeneración. Si tiene éxito, la unidad MCDI mejorada podría purificar no solo agua subterránea y salobre, sino también agua de mar, dijo Arges.

En investigaciones anteriores, Arges y su equipo utilizaron con éxito patrones de membrana similares para separar los iones de hidronio e hidróxido del agua en membranas bipolares para producir oxígeno e hidrógeno en una celda de electrólisis.

«Dado que el enfoque propuesto para esta subvención nos ha funcionado en el pasado, creemos que el área interfacial aumentada reducirá la resistencia al transporte iónico, lo que conducirá a agua más limpia en mayores cantidades», dijo Arges.