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TECNOLOGÍA. Nuevo método extremadamente eficiente para eliminar los contaminantes de metales pesados ​​del agua potable

 

Los ingenieros han diseñado un enfoque energéticamente eficiente y de costo relativamente bajo para tratar el agua contaminada con metales pesados.

Los ingenieros han diseñado un enfoque energéticamente eficiente y de costo relativamente bajo para tratar el agua contaminada con metales pesados.

Los ingenieros del MIT han desarrollado un nuevo enfoque para eliminar el plomo u otros contaminantes de metales pesados ​​del agua, en un proceso que, según ellos, es mucho más eficiente desde el punto de vista energético que cualquier otro sistema utilizado actualmente, aunque hay otros en desarrollo que se acercan. 

En última instancia, podría usarse para tratar suministros de agua contaminados con plomo en el hogar o para tratar el agua contaminada de algunos procesos químicos o industriales.

El nuevo sistema es el último de una serie de aplicaciones basadas en hallazgos iniciales de hace seis años por miembros del mismo equipo de investigación, inicialmente desarrollado para la desalación de agua de mar o agua salobre, y posteriormente adaptado para eliminar compuestos radiactivos del agua de refrigeración de las centrales de energía nuclear.  La nueva versión es el primer método de este tipo que podría aplicarse para el tratamiento de suministros de agua domésticos, así como para usos industriales.

Los hallazgos se publicaron el 22 de septiembre de 2021 en la revista Environmental Science and Technology - Water , en un artículo de los estudiantes graduados del MIT Huanhuan Tian, ​​Mohammad Alkhadra y Kameron Conforti, y el profesor de ingeniería química Martin Bazant.

"Es notoriamente difícil eliminar el metal pesado tóxico que persiste y está presente en muchas fuentes de agua diferentes", dice Alkhadra. "Obviamente, hoy en día existen métodos competidores que realizan esta función, por lo que es una cuestión de qué método puede hacerlo a menor costo y de manera más confiable".

El mayor desafío al tratar de eliminar el plomo es que generalmente está presente en concentraciones tan pequeñas, que otros elementos o compuestos superan ampliamente. Por ejemplo, el sodio generalmente está presente en el agua potable en una concentración de decenas de partes por millón, mientras que el plomo puede ser altamente tóxico en solo unas pocas partes por mil millones. 

La mayoría de los procesos existentes, como la ósmosis inversa o la destilación, eliminan todo de una vez. Esto no solo requiere mucha más energía de la que se necesitaría para una eliminación selectiva, sino que es contraproducente, ya que pequeñas cantidades de elementos como el sodio y el magnesio son en realidad esenciales para beber agua saludable.

El nuevo enfoque utiliza un proceso llamado electrodiálisis de choque, en el que se usa un campo eléctrico para producir una onda de choque dentro de un material poroso cargado eléctricamente que transporta el agua contaminada. La onda de choque se propaga de un lado a otro a medida que aumenta el voltaje, dejando atrás una zona donde se agotan los iones metálicos y separando la corriente de alimentación en una salmuera y una corriente fresca. El proceso da como resultado una reducción del 95 por ciento de plomo del flujo fresco saliente.

En principio, “esto hace que el proceso sea mucho más barato”, dice Bazant, “porque la energía eléctrica que está poniendo para hacer la separación realmente va tras el objetivo de alto valor, que es el líder. No desperdicias mucha energía eliminando el sodio ". Debido a que el plomo está presente en una concentración tan baja, "no hay mucha corriente involucrada en la eliminación de esos iones, por lo que esta puede ser una forma muy rentable".

El proceso todavía tiene sus limitaciones, ya que solo se ha demostrado a pequeña escala de laboratorio y con caudales bastante lentos. La ampliación del proceso para que sea práctico para uso doméstico requerirá más investigación, y los usos industriales a mayor escala llevarán aún más tiempo. Pero podría ser práctico en unos pocos años para algunos sistemas basados ​​en el hogar.

Por ejemplo, una casa cuyo suministro de agua está muy contaminado con plomo puede tener un sistema en el sótano que procesa lentamente un chorro de agua, llenando un tanque con agua sin plomo para beber y cocinar, dejando la mayor parte del agua. sin tratamiento para usos como la descarga del inodoro o el riego del césped. Dichos usos podrían ser apropiados como medida provisional para lugares como Flint, Michigan, donde el agua, en su mayoría contaminada por las tuberías de distribución, tardará muchos años en remediarse mediante reemplazos de tuberías.

El proceso también podría adaptarse para algunos usos industriales, como el agua de limpieza producida en operaciones de minería o perforación, de modo que el agua tratada se pueda eliminar o reutilizar de manera seguraY en algunos casos, esto también podría proporcionar una forma de recuperar metales que contaminan el agua, pero en realidad podría ser un producto valioso si se separaran; por ejemplo, algunos de esos minerales podrían usarse para procesar semiconductores o productos farmacéuticos u otros productos de alta tecnología, dicen los investigadores.

Las comparaciones directas de la economía de un sistema de este tipo con los métodos existentes son difíciles porque en los sistemas de filtración, por ejemplo, los costes son principalmente para reemplazar los materiales del filtro, que se obstruyen rápidamente y se vuelven inutilizables, mientras que en este sistema los costos son principalmente para la entrada de energía en curso, que es muy pequeña. En este punto, el sistema de electrodiálisis de choque se ha operado durante varias semanas, pero es demasiado pronto para estimar la longevidad en el mundo real de dicho sistema.

Desarrollar el proceso en un producto comercial escalable llevará algún tiempo, pero "hemos demostrado cómo se puede hacer esto, desde un punto de vista técnico", dice Bazant. “El principal problema estaría en el aspecto económico”, añade. 

Eso incluye descubrir las aplicaciones más apropiadas y desarrollar configuraciones específicas que satisfagan esos usos. “Tenemos una idea razonable de cómo ampliar esto. Así que es una cuestión de tener los recursos ”, lo que podría ser un papel para una empresa de nueva creación en lugar de un laboratorio de investigación académica, agrega.

“Creo que este es un resultado emocionante”, dice, “porque muestra que realmente podemos abordar esta importante aplicación” de limpiar el plomo del agua potable. Por ejemplo, dice, ahora hay lugares que realizan la desalinización de agua de mar mediante ósmosis inversa, pero tienen que ejecutar este costoso proceso dos veces seguidas, primero para sacar la sal y luego nuevamente para eliminar el nivel bajo pero alto. contaminantes tóxicos como el plomo. Este nuevo proceso podría usarse en lugar de la segunda ronda de ósmosis inversa, con un gasto de energía mucho menor.

Fuente: “Continuous and Selective Removal of Lead from Drinking Water by Shock Electrodialysis” by Huanhuan Tian, Mohammad A. Alkhadra, Kameron M. Conforti and Martin Z. Bazant, 22 September 2021, Environmental Science & Technology – WaterDOI: 10.1021/acsestwater.1c00234

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