La escasez de agua es uno de los principales problemas a los que se enfrentarán muchas sociedades y el mundo en el siglo XXI. Un informe publicado por la ONU en julio de 2021 menciona que 2 300 millones de personas —el 29% de la población mundial—viven en países con estrés hídrico de las cuales 733 millones viven en países en situación de estrés hídrico alto y crítico. (1)
Más allá de la cantidad de agua, una situación de escasez de agua también puede surgir de problemas de calidad del agua, cuando la contaminación (contaminación difusa o de fuentes puntuales) conduce a una menor disponibilidad de agua limpia. La Organización Mundial de la salud afirma que el agua potable contaminada microbiológicamente puede transmitir enfermedades como la diarrea, el cólera, la disentería, la fiebre tifoidea y la poliomielitis y se estima que causa 485 000 muertes por diarrea cada año. (2)
Esta situación se agravará en el futuro cercano como resultado del crecimiento poblacional y económico si no se adoptan medidas. Frente a esta situación se proponen muchas alternativas tales como:
- Aprovechamiento del agua de mar
- Utilización de agua atmosférica
- Reutilización de aguas residuales o purificación de fuentes contaminadas
La reutilización de aguas residuales y la utilización de aquellas contaminadas es muy atractiva. Sin embargo, el empleo de tecnologías actuales requiere mucha energía y son costosas de mantener incluso generan impacto en el medio ambiente. Por lo tanto, el desarrollo de tecnologías nuevas de purificación de agua que brinden acceso a agua segura y limpia a una mayor parte de la población mundial, especialmente a aquellos en entornos de escasos recursos, sigue siendo un desafío permanente.
Purificación por evaporación
La abundancia de energía solar nos hace pensar inmediatamente en su empleo para fines de purificación de agua. Sin embargo, la simple evaporación directa por radiación solar es de bajo rendimiento. En esta el calor se dispersa por todo el volumen de agua debajo de la superficie (fig1a).
El relativamente reciente desarrollo de los sistemas de evaporación solar interfacial (interfacial solar evaporation) que consiste en colocan un absorbente de luz en superficie de contacto agua-aire (interfaz) permite calentar solo la interfaz aire-líquido en lugar de toda la columna de agua. Esto resulta en una eficiencia foto térmica sustancialmente mejorada (fig 1b).
En un artículo aparecido en ScienceDirect en abril del 2022, refiriéndose a un novedoso de evaporación interfacial, se menciona que, bajo la irradiación de 1 sol, la tasa de evaporación puede alcanzar los 3.39 kg∙m−2∙h−1. (3) Esto equivale a 3.39 lt∙m−2∙h−1 considerando la densidad del agua de 1 gr/cc.
Sin embargo, la investigación indica que 20 litros per cápita por día es la cantidad mínima de agua segura requerida para alcanzar los niveles mínimos esenciales para la salud y la higiene. (4) Si a esto agregamos el hecho de que este enfoque no funciona bien cuando está nublado observamos que esta tecnología por el momento no puede ser una solución práctica.
Purificación usando “Solar Absorber Gel” basados en “thermoresponsive hydrogels”.
Una alternativa para reducir la energía necesaria para la producción sostenible de agua es usar “thermoresponsive hydrogels”. La ventaja de tales hidrogeles es que pueden acondicionarse químicamente para absorber agua a baja temperatura y luego al calentarse, fototérmicamente bajo la luz solar, expulsar el agua a una velocidad comparativamente rápida. “Solar Absorber Gel” (SAG) es un nombre genérico para aquella sustancia que está compuesto por un “thermoresponsive hydrogel” en combinación con otros aditivos.
Lo interesante del SAG es que, si uno lo sumerge en un depósito de agua contaminada, este retiene el agua, pero no los contaminantes. Luego, al extraerlo del depósito de agua contaminada y someterlo a cierta temperatura libera agua totalmente limpia. La temperatura en que el SAG se transforma de hidrofílico (absorbente de agua) a hidrofóbico (expulsador de agua) se le conoce como “lower critical solution temperature” (LCST). (fig 2b)
Un tipo de SAG es el basado en poly(N-isopropylacrylamide) (PNIPAm). El PNIPAm es un polímero muy estudiado y puede pasar de hidrofílico a hidrofóbico a ∼33 °C (temperatura LCST). Esta temperatura de liberación de agua es fácilmente alcanzable utilizando la luz solar natural como fuente de calor. Esto distingue a PNIPAm de otros materiales que requieren un alto consumo de energía. (5)
Los hidrogeles son materiales prometedores para la purificación y recolección de agua sostenible. Sin embargo, un impedimento actual para su difusión es la baja tasa de producción de agua, la cual se encuentra muy por debajo de la demanda humana diaria. Estamos hablando de tasas de producción de 4.2 kg m−2 h−1 (5) y de 7.18 kg m−2 h−1 (6)
De acuerdo a la Organización Mundial de la Salud (fig. 3), se necesitan entre 50 y 100 litros de agua por persona por día para garantizar que se satisfagan las necesidades más básicas y que se presenten pocos problemas de salud. (7) Por lo tanto, esta tecnología requiere mayor desarrollo.
Incrementando el rendimiento de la purificación a niveles viables
El 8 de febrero la revista ScienceDaily presentó un artículo denominado “This loofah-inspired, sun-driven gel could purify all the water you'll need in a day” en referencia a un estudio publicado por la American Chemical Society. En este sus autores manifiestan lo siguiente:
"Los hidrogeles son materiales blandos prometedores para aplicaciones energéticas y ambientales, incluida la purificación y recolección de agua sostenible y fuera de la red. Un impedimento actual para la traducción de tecnología es la baja tasa de producción de agua muy por debajo de la demanda humana diaria. Para superar este desafío, diseñamos un gel absorbente solar (LSAG) antiincrustante y de respuesta rápida inspirado en la lufa, capaz de producir agua potable a partir de varias fuentes contaminadas a una tasa de ∼26 kg m−2 h−1, que es suficiente para satisfacer la demanda diaria de agua". (8)
En esencia lo que hicieron fue darle una estructura porosa al hidrogel mediante un proceso químico (fig. 4a). Esa estructura semeja a una esponja vegetal llamada luffa (fig. 4c) que facilita el transporte de agua. De acuerdo al estudio, bajo irradiaciones de luz solar de 1 y 0.5 soles, el LSAG requirió solo 10 y 20 minutos para liberar aproximadamente el 70 % del agua líquida almacenada, respectivamente.
Lo más destacable de este estudio es la demostración de que la tecnología de purificación de agua basada en LSAG tiene el potencial de satisfacer la demanda diaria de agua. A esto hay que agregar la simplicidad de elaboración y los bajos costes de producción de este hidrogel.
Esta noticia es alentadora si consideramos que para el 2050 la población mundial que vivirá en áreas potencialmente vulnerables a la escasez de agua será de 4.8–5.7 billones. (10) Asimismo, abre una oportunidad para las startups que están apareciendo en torno al tema del agua.
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Referencias
(1) UN-Water. Summary Progress Update 2021: SDG 6 - water and sanitation for all. UN-Water Publications. 2021
(2) WHO. Fact sheets. Drinking water. WHO. 2022
(3) Dongdong Tong, Bo Song. A high-efficient and ultra-strong interfacial solar evaporator based on carbon-fiber fabric for seawater and wastewater purification, Desalination. Elsevier. 2022, 527, 115586
(4) WEDC. Technical notes on drinking-water, sanitation and hygiene in emergencies. WHO. 2013
(5) Xiaohui Xu, Navid Bizmark, Kofi S. S. Christie, Sujit S. Datta, Zhiyong Jason Ren, and Rodney D. Priestley. Thermoresponsive Polymers for Water Treatment and Collection. Macromolecules. 2022, 55, 1894-1909.
DOI: 10.1021/acs.macromol.1c01502
(6) Xiaohui Xu, Sehmus Ozden, Navid Bizmark, Craig B. Arnold, Sujit S. Datta, and Rodney D. Priestley. A Bioinspired Elastic Hydrogel for Solar-Driven Water Purification. Advanced Materials. 2021, 33, 2007833
(7) UN-Water Decade Programme on Advocacy and Communication and Water Supply and Sanitation Collaborative Council. The Human Right to Water and Sanitation Media brief. UN-Water Decade Programme on Advocacy and Communication and Water Supply and Sanitation Collaborative Council
(8) Xiaohui Xu, Néhémie Guillomaitre, Kofi S. S. Christie, R. Ko̅nane Bay, Navid Bizmark, Sujit S. Datta, Zhiyong Jason Ren, and Rodney D. Priestley. Quick-Release Antifouling Hydrogels for Solar-Driven Water Purification. ACS Central Science. 2023, 9, 177-185
DOI: 10.1021/acscentsci.2c01245
(9) Shudi Mao, Md Abu Hasan Johir, Casey Onggowarsito, An Feng, Long D. Nghiem and Qiang Fu. Recent developments of hydrogel based solar water purification technology. Material Advances. 2022, 3, 1322-1340.
DOI: 10.1039/D1MA00894C
(10) UN-Water. The United Nations World Water Development Report 2018: Nature-based solutions for water. UNESCO 2018
