Usando experimentación, aprendizaje automático y potentes rayos X, investigadores de la Universidad de Chicago y el Laboratorio Nacional de Argonne desarrollaron un dispositivo de desionización capacitiva (CDI) en el que se modificó la superficie molecular de los electrodos para que pueda adsorber plomo mucho más. eficientemente que dispositivos similares.
La desionización capacitiva es una tecnología en la que una membrana hecha de materiales de electrodos elimina los iones metálicos del agua. Ha demostrado ser una técnica prometedora para los filtros de agua de próxima generación.
“Nuestra futura economía y seguridad nacional realmente dependen de la disponibilidad de agua limpia”, dijo Junhong Chen, estratega principal de agua de Argonne, en un comunicado de prensa. “La única forma de abordar realmente este desafío del agua es estudiar la reutilización del agua. Esto podría impulsar potencialmente la recuperación de recursos que son importantes para las aplicaciones de energía limpia y llevarnos hacia una economía circular para nuestra sociedad”.
En opinión de Chen, la creación de un dispositivo de este tipo podría tener implicaciones de gran alcance. Podría ayudar a eliminar el plomo del agua para crear agua potable más segura, y podría ayudar con la reutilización del agua atrapando el fósforo y el litio de un suministro de agua, y luego liberando el fósforo para usarlo en fertilizantes y el litio para usarlo en tecnologías de energía limpia .
El científico explicó que las tecnologías actuales no tienen la capacidad de separar selectivamente pequeñas cantidades de diferentes iones dentro del agua, o solo pueden hacerlo a un alto costo. Si bien algunas tecnologías pueden separar metales, no pueden distinguir completamente un tipo de ion metálico de otro. Esto es importante ya que si bien se debe eliminar el plomo del agua potable, se debe dejar en el agua otro metal, el calcio, porque es beneficioso para la salud humana.
Mejorando los CDI
Los CDI se han mostrado prometedores en la eliminación de iones metálicos seleccionados mediante el uso de materiales de carbono como el óxido de grafeno en sus electrodos. Para mejorar estos dispositivos, el equipo de UChicago-Argonne necesitaba comprender mejor la interacción entre las moléculas y los iones en la superficie de los electrodos del dispositivo.
Usando modelado y aprendizaje automático, la co-investigadora Maria Chan trabajó para comprender cómo la alteración de los grupos moleculares funcionales (grupos específicos de átomos que tienen sus propias características) en la superficie del electrodo afectaría la selectividad y la eliminación de iones metálicos.
“Usando modelos informáticos, podemos comprender y seleccionar grupos funcionales a nivel molecular. Usando modelos de aprendizaje automático, podemos ampliar la búsqueda a varias moléculas diferentes que son potencialmente viables”, dijo Chan.
Los científicos finalmente encontraron grupos funcionales que podrían unirse al óxido de grafeno y adsorber selectivamente diferentes tipos de iones del agua. Chen validó experimentalmente sus predicciones, lo que demuestra que el dispositivo podría eliminar el plomo del agua de manera mucho más eficiente con estos nuevos grupos funcionales.
El equipo utilizó la fuente de fotones avanzada del laboratorio, una fuente de rayos X de alta energía, para comprender la estructura del plomo en las muestras de agua y dilucidar la interacción entre el CDI y el plomo.
A continuación, planean probar el dispositivo utilizando otros iones metálicos, incluidos litio y cobalto.
