La histórica Ruta 101 a lo largo del Océano Pacífico en la parte norte del condado de San Diego; Carlsbad, California.
A medida que las poblaciones crecen y las sequías crónicas persisten, las ciudades costeras como Carlsbad en el sur de California han recurrido cada vez más a la desalinización de los océanos para complementar un suministro de agua dulce cada vez menor.
Ahora, los científicos del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley del Departamento de Energía (Berkeley Lab) que investigan cómo hacer que la desalinización sea menos costosa, han encontrado reglas de diseño prometedoras para hacer que los líquidos iónicos llamados "térmicamente sensibles" separen el agua de la sal.
Los líquidos iónicos son sales líquidas que se unen al agua, lo que los hace útiles en la ósmosis directa para separar los contaminantes del agua. (Ver Preguntas y respuestas de Berkeley Lab, " Avanzando en la desalinización ".) Aún mejor son los líquidos iónicos que responden térmicamente, ya que usan energía térmica en lugar de electricidad, que es requerida por la desalinización de ósmosis inversa (RO) convencional para la separación. El nuevo estudio de Berkeley Lab, publicado recientemente en la revista Nature Communications Chemistry , estudió las estructuras químicas de varios tipos de líquido iónico / agua para determinar qué "receta" funcionaría mejor.
"El estado actual de la tecnología en desalinización de RO funciona muy bien, pero el costo de la desalinización de RO impulsada por la electricidad es prohibitivo", dijo Robert Kostecki , co-autor corresponsal del estudio. “Nuestro estudio muestra que el uso de calor 'gratuito' de bajo costo, como el calor geotérmico o solar o el calor residual industrial generado por las máquinas, combinado con líquidos iónicos térmicamente sensibles podría compensar una gran fracción de los costos que conllevan las actuales tecnologías de desalinización de RO que solo dependen de la electricidad ".
Kostecki, subdirector de la División de Almacenamiento de Energía y Recursos Distribuidos (ESDR) en el Área de Tecnologías Energéticas de Berkeley Lab , se asoció con el coautor correspondiente Jeff Urban , científico del personal de la Fundición Molecular de Berkeley Lab , para investigar el comportamiento de los líquidos iónicos en el agua en El nivel molecular.
Utilizando la espectroscopía de resonancia magnética nuclear y la dispersión dinámica de la luz proporcionada por investigadores de la División ESDR, así como técnicas de simulación de dinámica molecular en la Fundición Molecular , el equipo realizó un hallazgo inesperado.
Durante mucho tiempo se pensó que una separación efectiva de líquido iónico dependía de la relación general de componentes orgánicos (partes del líquido iónico que no tienen carga positiva o negativa) a sus iones cargados positivamente, explicó Urban. Pero el equipo de Berkeley Lab aprendió que la cantidad de moléculas de agua que un líquido iónico puede separar del agua de mar depende de la proximidad de sus componentes orgánicos a sus iones cargados positivamente.
"Este resultado fue completamente inesperado", dijo Urban. "Con él, ahora tenemos reglas de diseño para las cuales los átomos en los líquidos iónicos están haciendo el trabajo duro en la desalinización".
Una tecnología de ósmosis inversa basada en membranas de décadas desarrollada originalmente en UCLA en la década de 1950 está experimentando un resurgimiento: actualmente hay 11 plantas de desalinización en California, y se han propuesto más. Los científicos de Berkeley Lab, a través del Instituto de Investigación de Resiliencia Agua-Energía , están buscando una gama de tecnologías para mejorar la confiabilidad del sistema de agua de los EE.UU., Incluidas tecnologías avanzadas de tratamiento de agua como la desalinización.
Debido a que la ósmosis directa usa calor en lugar de electricidad, la energía térmica puede ser provista por fuentes renovables como el calor geotérmico y solar o industrial de bajo grado.
"Nuestro estudio es un paso importante hacia la reducción del costo de la desalinización", agregó Kostecki. "También es un gran ejemplo de lo que es posible en el sistema de laboratorio nacional, donde las colaboraciones interdisciplinarias entre las ciencias básicas y las ciencias aplicadas pueden conducir a soluciones creativas a problemas difíciles que benefician a las generaciones futuras".
También contribuyeron al estudio investigadores del UC Berkeley y del Laboratorio Nacional de Idaho. Molecular Foundry es una instalación de usuarios de la Oficina de Ciencia del DOE que se especializa en ciencias a nanoescala. Este trabajo fue apoyado por la Oficina de Eficiencia Energética y Energía Renovable del Departamento de Energía de EE.UU.
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