Titulado “Divalent and Halide Dual-Ion Storage of a Redox-Active Symmetric Cell for an Efficient Wastewater-Energy Nexus” (Almacenamiento dual de iones divalentes y haluros de una celda simétrica Redox-Activa para un nexo eficiente de aguas residuales-energía), el artículo presenta un nuevo paradigma para implementar simultáneamente el tratamiento de agua y el almacenamiento de energía, al tiempo que aborda los problemas de alto consumo de energía y costo de las tecnologías electroquímicas de tratamiento de agua existentes. En particular, la investigación demuestra que la eficiencia energética se puede mejorar al suministrar energía generada a partir del proceso de regeneración del electrodo a dispositivos externos, lo que muestra el potencial para una amplia aplicación en diversas industrias, así como en la vida diaria. 

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

El estudio fue realizado conjuntamente por el Life Solution Team de Samsung Research de Samsung Electronics y el equipo de investigación liderado por el profesor de ingeniería química HoSeok Park en la SKKU. Samsung participó en todo el proceso —desde la creación hasta el diseño del experimento, la implementación y la validación— contribuyendo sustancialmente a probar el potencial de la tecnología electroquímica única de tratamiento de agua. 

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

Revista académica internacional que cubre tecnologías de energía de vanguardia, Joule fue establecida por Cell Press en 2017 y es altamente influyente en química física, energía y combustibles, ciencia de materiales y otros campos científicos. La publicación del artículo marca un hito para Samsung Research y SKKU. 

Superar los límites del tratamiento electroquímico de agua

Las tecnologías electroquímicas de tratamiento de agua se basan en la desionización capacitiva (CDI), en la cual se aplica voltaje a un electrodo, haciendo que los iones en el agua se adsorban en el electrodo a través de fuerzas electrostáticas. Esto elimina los iones del agua, purificándola. El método es especialmente efectivo contra iones de dureza (Ca2+, Mg2+) que reducen el poder detergente de los agentes de limpieza y conducen a la acumulación de sarro. 

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

A pesar de sus ventajas, las tecnologías electroquímicas de tratamiento de agua aún enfrentan ciertos desafíos. Se consume energía adicional en el proceso de regeneración del electrodo, y el uso requerido de membranas de intercambio iónico —que permiten selectivamente que los iones con una carga eléctrica específica pasen, mientras previenen su readsorción— sigue siendo un obstáculo para la 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 siguiente generación que puede aplicarse sin membranas de intercambio iónico. La tecnología ofrece bajos costos de composición de módulo, permite la eliminación de grandes volúmenes de iones de dureza y puede suministrar la energía generada en el proceso de regeneración del electrodo a dispositivos externos, lo que prepara el camino para su potencial como una solución multifuncional de tratamiento de agua. 

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

El equipo de investigación utilizó una nanoestructura basada en óxido metálico, una desviación de los materiales de electrodo convencionales, para crear su electrodo. En comparación con los diseños convencionales, este electrodo recién desarrollado demostró un aumento del 200% en la capacidad de almacenamiento de iones, y una mejora del 20% en la tasa de almacenamiento. 

Los materiales de electrodo convencionales eliminan los iones a través de fuerzas electrostáticas, lo que requiere membranas de intercambio iónico costosas para evitar la readsorción durante la regeneración del electrodo. En cambio, el nuevo electrodo permite que los iones se almacenen y se desorban espontáneamente a través del intercambio directo de electrones, lo que elimina la necesidad de una membrana de intercambio iónico. 

▲ El mecanismo de almacenamiento de ionenes del nuevo electrodo.

El potencial de evolucionar hacia un sistema de energía multifuncional

Para una operación repetida, las tecnologías electroquímicas de tratamiento de agua existentes también requieren la regeneración del electrodo mediante el suministro de energía adicional. Durante este proceso, la fuga repentina de iones puede causar una sobrecorriente e invertir la polaridad de los electrodos, lo que imposibilita el uso de la energía almacenada. 

El electrodo de tratamiento de agua de siguiente generación desarrollado por Samsung Research y SKKU está libre de este problema, ya que la regeneración espontánea del electrodo puede lograrse sin el suministro de energía adicional. Además, puede recuperar la energía almacenada y suministrar energía a dispositivos cercanos. El equipo también descubrió que la energía requerida para operar un módulo de tratamiento electroquímico de agua utilizando esta tecnología fue de 76Wh/kg, aproximadamente la mitad de la requerida por las tecnologías existentes. 

▲ Experimento para verificar el funcionamiento del módulo.

Expansión futura a electrodomésticos y soluciones ambientales

Con su nuevo electrodo innovador, el módulo de tratamiento electroquímico de agua desarrollado por Samsung Research y SKKU tiene el potencial de servir como una unidad multifuncional que puede tratar el agua mientras suministra energía de respaldo para varios electrodomésticos que utilizan agua, como lavavajillas, lavadoras y purificadores de agua. Se espera que desempeñe un papel clave como una tecnología innovadora del futuro.

Basándose en este estudio, Samsung planea fortalecer la colaboración entre la industria y la academia y expandir sus esfuerzos de investigación para asegurar las cruciales tecnologías que darán forma al futuro de los sectores de medio ambiente y energía. A través de estas iniciativas la empresa tiene como objetivo acelerar el desarrollo de soluciones innovadoras para un mañana más sostenible.