Samsung y la Universidad Sungkyunkwan publican un estudio sobre una tecnología de tratamiento electroquímico de agua de última generación capaz de recuperar energía.

Samsung Electronics ha publicado un artículo con la Universidad Sungkyunkwan (SKKU) sobre una tecnología de tratamiento electroquímico del agua capaz de recuperar energía en Joule, una revista de renombre mundial en el campo de la investigación energética.

El artículo, titulado « Almacenamiento de iones divalentes y halogenados en una celda simétrica redox-activa para un nexo eficiente entre aguas residuales y energía », presenta un nuevo paradigma para la implementación simultánea del tratamiento de agua y el almacenamiento de energía, abordando así el elevado consumo energético y los altos costos de las tecnologías electroquímicas de tratamiento de agua existentes. En particular, la investigación demuestra que la eficiencia energética puede mejorarse suministrando energía generada durante el proceso de regeneración del electrodo a dispositivos externos, lo que muestra un gran potencial de aplicación en diversas industrias, así como en la vida cotidiana.

▲ Diagrama de la tecnología de tratamiento electroquímico de agua con recuperación de energía, desarrollada por Samsung Research y SKKU

El estudio fue realizado conjuntamente por el equipo Life Solution de Samsung Research (Samsung Electronics) y el equipo de investigación dirigido por el profesor de ingeniería química HoSeok Park en SKKU. Samsung participó en todo el proceso —desde la concepción de la idea hasta el diseño, la implementación y la validación del experimento— contribuyendo sustancialmente a demostrar el potencial de esta tecnología única de tratamiento electroquímico del agua.

▲ (De izquierda a derecha) Los investigadores SungHyeon Ka, HyeRin Park, SangBaek Kim y el profesor HoSeok Park de SKKU, y los investigadores WonJi Jung, JeeYeon Kim y ChangHoon Oh del equipo Life Solution de Samsung Research.

Joule, una revista académica internacional que abarca tecnologías energéticas de vanguardia, fue fundada por Cell Press en 2017 y tiene una gran influencia en fisicoquímica, energía y combustibles, ciencia de los materiales y otros campos científicos. La publicación de este artículo representa un hito para Samsung Research y SKKU.

Superando los límites del tratamiento electroquímico del agua

Las tecnologías electroquímicas de tratamiento de agua se basan en la desionización capacitiva (CDI), donde se aplica voltaje a un electrodo, lo que provoca que los iones presentes en el agua se adsorban en él mediante fuerzas electrostáticas. Esto elimina los iones del agua, purificándola. El método es especialmente eficaz contra los iones de dureza (Ca²⁺, Mg²⁺) que reducen el poder detergente de los agentes de limpieza y provocan la acumulación de incrustaciones.

A diferencia de las tecnologías de tratamiento de agua basadas en membranas, que emplean finas barreras para permitir o bloquear selectivamente el paso de micropartículas líquidas o gaseosas, las tecnologías electroquímicas no utilizan filtros físicos. Por consiguiente, su mantenimiento y reparación son más sencillos, lo que convierte a estas tecnologías en un área de investigación activa.

A pesar de sus ventajas, las tecnologías electroquímicas de tratamiento de agua aún presentan ciertos desafíos. El proceso de regeneración de los electrodos consume energía adicional, y el uso necesario de membranas de intercambio iónico —que permiten selectivamente el paso de iones con una carga eléctrica específica, impidiendo su readsorción— sigue siendo un obstáculo para su comercialización debido al aumento de los costos.

Para superar estas limitaciones, el equipo de Samsung Research-SKKU desarrolló una tecnología electroquímica de tratamiento de agua de última generación que puede aplicarse sin membranas de intercambio iónico. Esta tecnología ofrece bajos costos de componentes, permite la eliminación de grandes volúmenes de iones de dureza y puede suministrar la energía generada en el proceso de regeneración de los electrodos a dispositivos externos, lo que abre la puerta a su potencial como solución multifuncional para el tratamiento de agua.

Un nuevo enfoque para el almacenamiento de iones con un electrodo de última generación

El equipo de investigación utilizó una nanoestructura basada en óxido metálico —un material novedoso en comparación con los electrodos convencionales— para crear su electrodo. En comparación con los diseños convencionales, este electrodo de reciente desarrollo demostró un aumento del 200 % en la capacidad de almacenamiento de iones y una mejora del 20 % en la velocidad de almacenamiento.

Los materiales de electrodo convencionales eliminan los iones mediante fuerzas electrostáticas, lo que requiere costosas membranas de intercambio iónico para evitar la readsorción durante la regeneración del electrodo. El nuevo electrodo, en cambio, permite almacenar iones y desorberlos espontáneamente mediante intercambio electrónico directo, eliminando así la necesidad de una membrana de intercambio iónico.

▲ El mecanismo de almacenamiento de iones del nuevo electrodo

El potencial para evolucionar hacia un sistema energético multifuncional

Para un funcionamiento repetido, las tecnologías existentes de tratamiento electroquímico de agua también requieren la regeneración de los electrodos mediante el suministro de energía adicional. Durante este proceso, una fuga repentina de iones puede provocar una sobrecorriente e invertir la polaridad de los electrodos, lo que imposibilita el aprovechamiento de la energía almacenada.

El electrodo de tratamiento de agua de última generación desarrollado por Samsung Research y SKKU no presenta este problema, ya que la regeneración espontánea del electrodo se logra sin necesidad de alimentación externa. Además, puede recuperar la energía almacenada y suministrarla a dispositivos cercanos. El equipo también descubrió que la potencia requerida para operar un módulo electroquímico de tratamiento de agua con esta tecnología es de 76 Wh/kg, aproximadamente la mitad que la de las tecnologías existentes.

▲ Experimento para verificar el funcionamiento del módulo

Futura expansión a electrodomésticos y soluciones ambientales

Gracias a su innovador electrodo, el módulo electroquímico de tratamiento de agua desarrollado por Samsung Research y SKKU tiene el potencial de funcionar como una unidad multifuncional capaz de tratar el agua y, al mismo tiempo, proporcionar energía de respaldo a diversos electrodomésticos que utilizan agua, como lavavajillas, lavadoras y purificadores de agua. Se espera que desempeñe un papel clave como tecnología innovadora del futuro.

Partiendo de este estudio, Samsung planea fortalecer la colaboración entre la industria y la academia, y ampliar sus esfuerzos de investigación para asegurar las tecnologías clave que definirán el futuro de los sectores ambiental y energético. Mediante estas iniciativas, la compañía busca acelerar el desarrollo de soluciones innovadoras para un futuro más sostenible.