La escasez de agua es un problema global apremiante, con millones de personas que enfrentan un acceso limitado a agua potable limpia y segura. Las fuentes de agua tradicionales a menudo son insuficientes para satisfacer la creciente demanda, especialmente en regiones áridas y propensas a la sequía. Si entendemos como áridas aquellas regiones denominadas hiper-áridas, áridas y semi-áridas estamos hablando de una superficie que comprende el 32 % de la superficie global en la cual se asienta el 20.2 % de la población mundial (1). En este contexto, la cosecha de agua atmosférica (AWH) se ha convertido en una tecnología prometedora para extraer agua directamente del aire. Un enfoque innovador dentro de AWH es el uso de adsorbentes, que pueden capturar y liberar moléculas de agua de manera eficiente, ofreciendo una solución sostenible para aliviar la escasez de agua.
En un artículo anterior (2) manifesté que la extracción de agua atmosférica por enfriamiento directo (aquel empleado en refrigeradoras) es el más desarrollado industrialmente. Sin embargo, las condiciones existentes en las zonas áridas hacen impracticable su empleo a lo largo del año o en una buena parte de él. Primero, la baja humedad relativa del aire exigiría procesar grandes volúmenes de aire para extraer una cantidad razonable de agua. Segundo, la temperatura del aire en zonas secas, en general, es alto y llevarla a su punto de condensación exige una gran cantidad energía por volumen de aire procesado.
Una forma más eficaz de extracción de agua del aire es el uso de sorbentes. Este consiste en emplear materiales adsorbentes (o absorbentes) para capturar el vapor de agua del aire, seguido de un calentamiento para liberar el vapor en un espacio cerrado (desorción) para finalmente condesarlo en una superficie fría.
Esta tecnología, por su naturaleza descentralizada, permite atender localidades rurales dispersas en zonas áridas usando el sol como fuente de energía. Asimismo, es un medio eficaz para disponer de agua segura en situaciones de emergencia debido a que es fácil de establecer (portátil) e independiente de las redes eléctricas y de fuentes de agua convencionales (3). También es posible usarlo a escala residencial y comunitaria o integrándolo con la infraestructura de agua existente.
Viabilidad de la cosecha de agua atmosférica
Pero veamos qué tan viable resulta. De acuerdo a la Organización Mundial de la Salud, se necesitan 50 litros de agua por persona al día para satisfacer las necesidades humanas de supervivencia a corto plazo y 100 litros para garantizar las necesidades a largo plazo (4). Sin embargo, el desarrollo de esa tecnología de cosecha de agua atmosférica usando sorbentes para zonas áridas todavía no alcanza para satisfacer esa demanda.
Para tener una idea, en mayo del 2022, la revista Nature publicó un artículo en el cual se anunciaba con gran entusiasmo un polímero súper higroscópico escalable (SHPF) con una capacidad de absorción de 0.64 g y 0.96 g de agua por gramo de polímero a una humedad relativa (HR) de 15 y 30% respectivamente (5).
Es muy importante señala que el ciclo de absorción-desorción se puede repetir varias veces al día, lo dependiendo de la capacidad cinética del sorbente. En el caso particular de este estudio, esto se tradujo en un rendimiento diario de 5.8 y 13.3 L por kg si considerando 14 ciclos de absorción-deabsorción por día a 15% HR y de 24 ciclos a 30% HR respectivamente. Sin embargo, para llegar a los 50 litros requeridos para fines de supervivencia se necesitarían 10 a 5 kg de material por persona, lo cual lo hace impracticable.
Nuevos descubrimientos
Afortunadamente, este rendimiento va incrementándose de acuerdo al avance de las investigaciones. Recientemente, el 2 de Julio del 2023, la revista SciTechDaily publicó un artículo denominado “Harvesting Water From Desert Air: MIT’s Revolutionary Superabsorbent Hydrogel” (6) haciendo referencia a un estudio publicado en la revista Advanced materials (7) . En esta se anuncia que un equipo de investigadores del Instituto tecnológico de Massachussets rompió un record en la extracción de agua atmosférica haciendo uso de sorbentes. Ellos desarrollaron un gel que, en condiciones baja humedad (30% HR), lograba capturar 1.79 gramos de agua por cada gramo de gel. Este valor es significativamente superior al reportado anteriormente por la revista Nature de 0.95 a 30% HR.
Cómo lo lograron
Los hidrogeles se han utilizado durante años como material absorbente en pañales porque pueden hincharse y absorber una gran cantidad de agua cuando entra en contacto con el material. “Nuestra pregunta era, ¿cómo podemos hacer que esto funcione igual de bien para absorber el vapor del aire?” dice Díaz-Marín miembro del equipo de investigación.
El cloruro de litio, una sal que es capaz de absorber más de 10 veces su propia masa en humedad. Se emplea desde hace muchos años como medio de extracción de agua de la atmósfera. Un ejemplo de ello son las “estaciones de agua de emergencia” desarrolladas por Aqua Sciences (8) que, sin embargo, demandan costos de inversión, mantenimiento y operación prohibitivos para fines que no sean atención de emergencias de corto plazo.
Observando este hecho, anteriores investigadores han intentado incorporar cloruro de litio en hidrogeles logrando solo de 4 a 6 gramos de sal por gramo de polímero. El equipo de MIT desarrolló un nuevo procedimiento por el cual lograron incorporar hasta 24 g de esta sal por gramo de polímero. Con este logro pudieron batir un récord en captura de agua atmosférica.
En este momento el equipo del MIT se está enfocando en la cinética y qué tan rápido podemos hacer que el material absorba agua. Eso le permitirá reciclar este material muy rápidamente, de modo que en lugar de recuperar agua una vez al día podrá hacerlo, digamos, 24 veces al día. Tal vez duplique los 13.3 L por kg al día alcanzado por el estudio previo, acercándonos a los estándares exigidos por la Organización Mundial de la Salud.
Finalmente, cabe mencionar que las investigaciones referidas a extracción de agua atmosférica usando sorbentes están en progreso y nuevos resultados no tardarán en sorprendernos.
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(1) United Nations Environment Management Group. Global Drylands: A UN system-wide response (2011)
(2) F. Arbe. Cosecha de agua atmosférica en regiones secas: hacia la viabilidad. Iagua [online]. Iagua. 19 December 2022. [viewed date: 10 july 2023].
(3) Milani, D; Qadir, A; Vassallo, A; Chiesa, M; Abbas, Ali. Experimentally validated model for atmospheric water generation using a solar assisted desiccant dehumidification system. Energy and Buildings. 2014, Volume 77, Pages 236-246. ISSN 0378-7788. https://doi.org/10.1016/j.enbuild.2014.03.041.
(4) Reed, B and others. Technical notes on drinking-water, sanitation and hygiene emergencies: Technical note9 How much water is needed in emergencies [online]. WEDC. World Health Organization. 2013 [viewed date: 10 July 2023]
(5) Guo, Y.; Guan, W.; Lei, C. et al. Scalable super hygroscopic polymer films for sustainable moisture harvesting in arid environments. Nat Commun 13, 2761 (2022). https://doi.org/10.1038/s41467-022-30505-2
(6) Chu, J. Harvesting Water From Desert Air: MIT’s Revolutionary Superabsorbent Hydrogel. SciTechDaily, July 2 3023 [viewed date: 10 July 2023]
(7) Graeber, G.; Díaz-Marín, C. et al. Extreme Water Uptake of Hygroscopic Hydrogels through Maximized Swelling-Induced Salt Loading. Advanced Materials, 18 May 2023 https://doi.org/10.1002/adma.202211783
(8) Ching, M. Emerging Tech: Emergency Unit Makes Water From Air. Government Technology, April 24, 2014. [viewed date: 10 July 2023].
