Por qué el futuro de la desalinización podría estar en la impresión 3D y materiales de carbono, según un grupo de científicos

El avance de la impresión 3D abrió nuevas posibilidades para combatir la escasez de agua potable en zonas costeras, donde la intrusión de agua salada en los acuíferos representa una amenaza creciente.

Investigadores de la Universidad de California en Santa Cruz (UC Santa Cruz) desarrollaron un prototipo de desalinización impreso en 3D que promete transformar el acceso al agua en comunidades afectadas por el cambio climático, al ofrecer una alternativa eficiente y sostenible frente a los métodos tradicionales.

El aumento del nivel del mar y las sequías prolongadas, ambos fenómenos intensificados por el cambio climático, agravaron la escasez de agua dulce en muchas regiones costeras. En California, la demanda hídrica frecuentemente supera la oferta, mientras que la intrusión salina amenaza con inutilizar fuentes de agua potable.

Ante este escenario, el equipo liderado por el profesor Yat Li, del Departamento de Química y Bioquímica de UC Santa Cruz, se enfocó en desarrollar soluciones novedosas para asegurar el suministro en áreas vulnerables.

El prototipo creado por el grupo de Li utiliza impresión 3D para fabricar un dispositivo de desalinización basado en la desionización capacitiva, una tecnología electroquímica con gran eficiencia para tratar agua salobre.

A diferencia de la ósmosis inversa, el método convencional que emplea membranas semipermeables y requiere grandes cantidades de energía, la desionización capacitiva elimina sales por medio de electrodos cargados.

“La forma más convencional de eliminar sales del agua es mediante ósmosis inversa, que utiliza una membrana semipermeable para filtrar todas las sales y obtener agua dulce. Este proceso requiere mucha energía para empujar el agua a través de esas membranas, y además esas membranas suelen ser muy costosas”, explicó Li a UC Santa Cruz.

En contraste, la desionización capacitiva opera aplicando voltaje a dos electrodos. Al circular agua salobre entre ellos, los iones positivos se dirigen al electrodo negativo y los negativos al positivo, quedando absorbidos en la superficie eléctrica y permitiendo el paso del agua libre de sal.

Este proceso puede repetirse hasta alcanzar el nivel de pureza deseado y, al ser reversible, los iones retenidos pueden liberarse para reutilizar el material. Li detalló que “la desionización capacitiva, en cambio, elimina las sales usando electrodos cargados en lugar de membranas”.

El equipo de UC Santa Cruz desarrolló materiales de carbono conductivo con estructura jerárquica y porosa, capaces de llegar a 3.000 metros cuadrados por gramo de superficie, equivalentes a seis o siete canchas de baloncesto por gramo. Esta amplia superficie permite absorber cantidades significativas de sal en poco volumen.

Además, la proximidad entre electrodos es fundamental: una menor distancia reduce el tiempo necesario para la migración iónica y eleva la eficiencia del proceso.

Para optimizar este punto, el dispositivo incorpora electrodos interpenetrados, en los que los polos positivo y negativo se entrelazan, disminuyendo la distancia de difusión.

La impresión 3D resultó clave para materializar este diseño innovador. El grupo logró imprimir prototipos con materiales poliméricos y trabaja para transformar esas estructuras en carbono, manteniendo la alta superficie específica.

El objetivo es imprimir el dispositivo completo —y no ensamblar electrodos por separado—, lo que facilita la escalabilidad y la modularidad del sistema. “También estamos desarrollando una técnica de impresión 3D para intentar mejorar el diseño y hacer que la producción sea más escalable y flexible”, señaló Li en declaraciones recogidas por UC Santa Cruz.

Este sistema fue diseñado específicamente para tratar agua salobre, con una concentración de sal inferior a la del agua de mar. Esto permite que el proceso funcione con un consumo energético menor y mayor eficiencia donde la intrusión salina afecta los acuíferos costeros.

Una vez que el dispositivo concentra la sal hasta niveles comparables a agua de mar, la solución puede devolverse al océano sin un impacto ambiental considerable. El proceso admite operación continua y sostenible, ya que los iones absorbidos se liberan mediante un ciclo de lavado, lo que facilita la reutilización de los materiales.

Aunque la desionización capacitiva existe desde hace tiempo, los problemas de escalabilidad y rendimiento dificultaron su implementación práctica. El enfoque de UC Santa Cruz, basado en materiales avanzados y técnicas de impresión 3D, busca superar estas barreras y ofrecer una solución adaptable a distintos contextos.

El proyecto permanece en fase de prototipo de laboratorio, con la meta de desarrollar un dispositivo escalable capaz de desalinizar agua salobre recogida directamente en el campo.

El equipo de Yat Li confía en que su trabajo impulse la innovación en el diseño de materiales y tecnologías para el acceso sostenible al agua potable, aportando respuestas frente a los desafíos climáticos actuales.