Innovaciones aparentemente milagrosas han hecho posible saciar la sed cada vez mayor de nuestra sociedad industrial.¿Necesitas más energía?Fractíquelo con rocas profundas.¿Agua dulce?Desalar los flujos oceánicos.¿Metales preciosos?Lixivíelos de minerales de baja ley que antes no eran explotables.

Pero estas y otras maravillas nos dejan en un aprieto: inundados en un mar de salmuera hipersalina.Esta "salmuera" (aguas residuales que contienen niveles de sal muchas veces superiores a los del agua de mar y a menudo contaminadas con contaminantes) es un subproducto de estos y otros procesos industriales, y es un problema.

"La eliminación de soluciones de salmuera con sólidos disueltos totales superiores a 60.000 mgâlâ1 plantea obstáculos técnicos, medioambientales y económicos que en su mayoría siguen sin resolver", afirmó Arup SenGupta, P.C.Profesor Rossin de Ingeniería Civil y Ambiental en la Universidad de Lehigh.

Sin embargo, un nuevo enfoque desarrollado por SenGupta y el investigador visitante Hao Chen (entonces estudiante de doctorado) representa un gran paso adelante en la limpieza e incluso en la potencial liberación de recursos valiosos que se esconden en el agua súper salada.el trabajo espublicadoen el diarionaturaleza agua.

Métodos actuales

Los métodos actuales para tratar este subproducto a menudo combinandaño ambientalinherentes a los procesos industriales.

• Bombear salmuera hipersalina de regreso al océano es una práctica común en las plantas desalinizadoras costeras, pero hacerlo puede alterar los ecosistemas de las profundidades marinas.
• Las aguas residuales de las instalaciones industriales del interior a menudo se dejan evaporar bajo el sol en enormes piscinas abiertas, pero este proceso es ineficiente, depende del clima y propenso a la concentración de contaminantes que amenazan tanto las aguas subterráneas como los ambientes circundantes.
• Bombear salmuera a pozos profundos dentro de la tierra era una práctica común, pero ha sido prohibida en muchas áreas debido al daño ecológico y geológico que causa.
• Otros métodos, como la destilación térmica de múltiples etapas y la destilación por membrana, tienen algunas ventajas, pero también requieren grandes insumos de energía para generar calor y son propensos a la acumulación de incrustaciones y a incrustaciones irreversibles o contaminación en los equipos.

El desarrollo de métodos para concentrar salmuera a niveles propicios para la recolección de sólidos cristalizados se ha convertido en una prioridad del Departamento del Interior de EE. UU. y otras agencias mundiales del agua.

Los sólidos cristalizados se pueden eliminar más fácilmente y reutilizar paraprocesos industrialese incluso "extraídos" de metales preciosos, incluido el litio.

Una nueva solución

SenGupta y Chen han desarrollado un nuevo proceso, el intercambio iónico por evaporación (EIX), para concentrar salmuera a temperatura ambiente utilizando la humedad del aire y el intercambio iónico.A diferencia de los métodos existentes, EIX evita la incrustación y la contaminación, y es mucho más rápido que la evaporación natural debido a su diseño eficiente.

Utiliza una perla de resina polimérica de intercambio iónico, un tipo de gel con una alta concentración de cargagrupos funcionales, o átomos cuya carga eléctrica se une a iones de carga opuesta.Cuando la perla entra en contacto con el agua, la presión interna de la resina hace que absorba agua rápidamente mientras rechaza las sales y otros compuestos.

"Este fenómeno es similar a la ósmosis directa, pero físicamente no existe una membrana semipermeable. En cambio, la interfaz del intercambiador de iones y el agua actúa como una membrana semipermeable y la absorción de agua es muy rápida", dijo SenGupta.

Luego, cuando se expone al aire seco, la resina libera agua al aire mediante evaporación a temperatura ambiente sin necesidad de aporte de calor externo.

"Este ciclo se puede repetir, permitiendo que la resina concentre soluciones continuamente a temperatura ambiente", dijo SenGupta."El proceso es rápido y la energía necesaria total la proporciona el aire ambiente".

La resina base utilizada en el estudio fue Purolite A502P, una resina de intercambio iónico disponible comercialmente para sistemas de agua potable.Los investigadores doparon el material con dióxido de circonio (ZrO2_{) nanopartículas para asegurar su gravedad específica y evitar que la resina flote.}el experimento

Para probar el proceso, los investigadores realizaron experimentos utilizando salmuera hipersalina sintética creada en laboratorio y agua hipersalina recolectada de pozos de gas en la región Marcellus Shale de Pensilvania y Nueva Jersey.

Además de sal, la muestra de Marcellus contenía altas concentraciones de cationes de bario, cationes de estroncio e iones de calcio.

Las perlas EIX se colocaron en un lecho, que luego se llenó con salmuera hasta que la resina alcanzó la saturación.Se drenó la salmuera del lecho y luego se expuso la resina a aire soplado sin calentar para su evaporación, y se midieron el volumen total y los sólidos disueltos totales (TDS) de la salmuera restante.Luego se repitió este ciclo usando la salmuera restante.

• Después de completar tres ciclos, el volumen de la salmuera sintética restante se redujo en un factor de casi tres, y el TDS de la salmuera sintética restante se incrementó en un factor de casi tres.
• Los ciclos realizados con perlas poliméricas idénticas pero sin grupos funcionales de intercambio iónico lograron un aumento en el TDS de la salmuera sintética de menos del 20%.
• Después de cuatro ciclos realizados con la muestra de Marcellus, las concentraciones de bario, sodio y cloro se concentraron más allá del límite de solubilidad, lo que resultó en la cristalización directa de las sales de cloruro de bario y cloruro de sodio.
• Los procesos no dieron como resultado incrustaciones ni incrustaciones en la resina, y los experimentos indicaron la capacidad de concentrar y recuperar litio a partir de hipersalmuera natural.

"El hallazgo más notable de este estudio es la precipitación/cristalización de sales del agua hipersalina de un pozo de gas Marcellus después de cuatro ciclos EIX a temperatura ambiente", dijo SenGupta."Según la literatura, ningún otrosalmueraEl proceso de concentración alcanza una cristalización incipiente a temperatura ambiente."

SenGupta dijo que las ventajas del proceso lo hacen optimista sobre el potencial de ampliar el proceso para su uso generalizado.Los próximos pasos serían ejecutar un sistema piloto y registrar los parámetros del proceso y las ventajas energéticas en comparación con otros procesos de temperatura elevada.

"El proceso EIX no necesita la fabricación de ningún material especial para ampliar el proceso", dijo SenGupta."No necesita calor ni una fuente importante de energía. Puede ampliarse rápidamente".