La desalinización y el tratamiento de agua se ha vuelto crucial para la vida moderna. Problemas como la sequía que amenaza diferentes localidades de España, así como la acumulación de microplásticos y otras partículas demandan avances científicos urgentes. El más reciente es el obtenido por un grupo internacional con participación española, responsable de un nuevo sistema de filtrado más asequible y adaptable.

El excesivo calor del verano no es la única consecuencia del cambio climático, la sequía es otro de sus graves riesgos. Las precipitaciones de esta primavera fueron un gran alivio, pero los expertos advierten que en España se observa un incremento de la severidad y no hay que bajar la guardia.

Entre las posibles soluciones está el uso de desaladoras portátiles para solventar la escasez de agua, aunque son un parche temporal que no soluciona el problema de fondo: el elevado consumo energético en los actuales sistemas de desalinización, así como su dificultad para tratar las partículas más pequeñas. Estos son los dos principales desafíos que los investigadores han querido remediar con el nuevo sistema.

"Hay veces que tenemos agua potable y de gran calidad, pero la sensación a la vista no es agradable porque está turbia. Son arcillas en el agua y se pueden separar", explica en una entrevista con EL ESPAÑOL- Omicrono Javier Pérez-Carvajal, investigador del Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid, del CSIC (ICMM-CSIC) y uno de los autores de este estudio internacional y multidisciplinar, "entre físicos teóricos, experimentales y, mi parte, que soy químico de la ciencia de materiales".

El resultado es un sistema que ofrece una forma de desalinizar el agua de mar con menos coste energético y que también abre la puerta a otras aplicaciones, como la detección de microplásticos y otros avances en un campo de la física que aún se resiste a la comunidad científica.

¿Cómo funciona?

La novedad de este trabajo radica en la capacidad de filtrar agua salada sin necesidad de usar bombas ni sistemas de alta presión, que consumen grandes cantidades de electricidad en los tradicionales sistemas de desalación de agua. La tecnología Viro (ósmosis inversa inducida por voltaje) ofrece una solución sencilla y económica a través de una membrana con poros extremadamente pequeños, de millonésimas de milímetro, proceso conocido como nanofiltración.

Actualmente, los sistemas más comunes para convertir agua salada en potable son la ósmosis inversa y la destilación térmica. La ósmosis inversa requiere aplicar mucha presión para forzar el paso del agua a través de una membrana, lo que implica un alto consumo eléctrico y equipos muy costosos. "Es como una jeringuilla, si la inclinas, pero no ejerces presión, el líquido no sale", explica Pérez-Carvajal. Por su parte, la destilación térmica necesita grandes cantidades de energía para calentar el agua hasta su evaporación, momento en el que se elimina la sal.

En cambio, con este nuevo sistema, la principal novedad es el uso de un proceso llamado diodo osmótico, que permite al agua fluir a través de la membrana con menos coste gracias al uso de corriente alterna, la misma que se usa en los hogares. En la corriente alterna, el flujo de electrones cambia de dirección periódicamente, a diferencia de la corriente continua, que fluye en una sola dirección.

Para llegar a esta idea, el proyecto se inicia con la labor de los físicos teóricos. Ellos fueron los que descubrieron mediante fórmulas y conceptos fundamentales que, cuando un sistema tiene dos cargas diferenciales, se genera un efecto similar al de un diodo eléctrico. Después, el equipo se dedicó a poner este concepto teórico en práctica.

Cuando se aplica un voltaje constante dentro de un medio salino, como es el agua de mar, se fuerza a pasar a las moléculas menos cargadas o no cargadas, que sería el agua, frente a los iones que hacen de motor, el combustible que hace avanzar al agua a través de los poros pequeños de la membrana.

Durante el proceso, llega un momento en el que se genera un atasco de capas de iones (un bloqueo por polarización inducida). Para evitar este problema, se usa la corriente alterna y, al jugar con las frecuencias, se van desordenando las capas para que el proceso avance de forma pseudocontinua. “Los dejas avanzar, los estabilizas, los dejas avanzar, los estabilizas...”, sostiene el químico del CSIC.

Según el estudio, "se puede alcanzar un factor de conversión de hasta 15 bares equivalentes por voltio aplicado utilizando materiales apropiados", a diferencia de las altas presiones mecánicas de hasta 60 bares que necesitan alcanzar los sistemas tradicionales. Este consumo energético se puede compensar también con el uso de paneles solares o baterías a pequeña escala para llevar la tecnología a regiones remotas.

Separando microplásticos

El estudio confirma que esta propuesta de filtración es una estrategia interesante no solo para la separación de sales, sino también para procesos de descontaminación del agua. Y es que, además de ser un sistema más eficiente energéticamente, puede llevar a cabo un proceso conocido como nanofiltración selectiva.

Así, la membrana podría conservar minerales beneficiosos para la salud como el calcio o el magnesio, al mismo tiempo que elimina los materiales no deseados. "Es un sistema en el que se puede avanzar con todo lo que son plásticos, microplásticos, nanoplásticos o cualquier tipo de partícula dispersas en el agua", dice Pérez-Carvajal.

Pero no solo se trata de aplicar esta tecnología a la purificación de agua que se consume a diario. Pérez-Carvajal defiende que este proyecto también tiene su importancia por los avances en física a nanoescala que suponen: “Empezamos a entender la física a escala nanométrica, que no es la misma que la micro o macrométrica, y podemos explorar otras direcciones”.

De hecho, los avances en este sistema han ido desvelando más aplicaciones con prometedores resultados, lo que ha animado a los investigadores a crear una startup con la que llevar esta innovación aún más lejos. "Uno de los problemas que afrontamos era la generación de oxígeno al romper la molécula de agua directamente por electricidad, con lo que se genera hidrógeno. Por eso valoramos la posibilidad de derivar el proyecto hacia el almacenamiento de hidrógeno", explica el químico español.

La startup Ilion Water Technology ya ha presentado la patente de esta innovación y han ganado concursos de innovación en Francia, aunque la tecnología se encuentra aún en una fase temprana de desarrollo. Los resultados conseguidos por este grupo de trabajo, liderado por los franceses Lydéric Bocquet y Alessandro Siria, se han publicado en la revista Nature Materials.