Inventan un sistema para desalinizar agua con energía solar y a bajo coste

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Los científicos han desarrollado un sistema autónomo de desalinización de agua que es más eficiente y menos costoso que los métodos actuales. Es tan innovador que con un costo de solo 4 dólares y con un área de recolección de solo un metro cuadrado, se puede obtener agua para toda una familia en lugares sin electricidad. Además de proporcionar agua dulce, el proceso podría utilizarse para tratar aguas residuales contaminadas o generar vapor para esterilizar instrumentos médicos, todo ello sin necesidad de una fuente de energía distinta a la luz solar.

Se estima que dos tercios de la humanidad se ven afectados por la escasez de agua, y muchas partes del mundo también se enfrentan a la falta de electricidad. Por lo tanto, los esfuerzos de los investigadores se han centrado durante algún tiempo en formas de desalinizar agua de mar o agua salobre utilizando únicamente el calor solar. Sin embargo, estos esfuerzos a menudo se han topado con problemas de deterioro del equipo causado por la acumulación de sal, lo que aumenta la complejidad y el costo del proceso.

Problemas solucionados

Ahora, un equipo de investigadores del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT) y entidades en China han encontrado una solución al problema de la acumulación de sal y han desarrollado un sistema de desalinización que es más eficiente y menos costoso que los métodos anteriores de desalinización con energía solar. . El proceso también podría usarse para tratar aguas residuales contaminadas y otros servicios públicos, todo sin necesidad de energía eléctrica convencional.

El descubrimiento se informó hace unos días en la revista Nature Communications, en un artículo del estudiante graduado del MIT Lenan Zhang, el posdoctorado Xiangyu Li, la profesora de ingeniería mecánica Evelyn Wang y otros cuatro.

«Ha habido muchas demostraciones de diseños de evaporación solar de rechazo de sal de muy alto rendimiento», dijo Wang. “El desafío ha sido el problema de las incrustaciones de sal, que no se había solucionado antes. Hasta el momento. Las cifras de desempeño aún se ven muy atractivas, pero luego resultan limitadas por el factor Con el tiempo, las cosas empeoran”, agregó. Ese es el desafío que su equipo logró superar: hacer que el sistema dure más tiempo con la misma eficiencia.

Muchos intentos de sistemas de desalinización solar se basan en algún tipo de mecha para extraer agua salada a través del dispositivo, pero estas mechas son vulnerables a la acumulación de sal y relativamente difíciles de limpiar. En cambio, el equipo se centró en desarrollar un sistema sin mecanismo.

El resultado es un sistema en capas, con un material oscuro en la parte superior para absorber el calor del sol, luego una capa delgada de agua sobre una capa de material perforado, descansando sobre un depósito profundo de agua salada, como un depósito o estanque. . Después de cuidadosos cálculos y experimentos, los investigadores determinaron el tamaño óptimo de los agujeros perforados en el material, que en sus pruebas fue poliuretano. Los agujeros tenían un diámetro de 2,5 milímetros.

Estas perforaciones son lo suficientemente grandes como para permitir la circulación convectiva natural entre la capa de agua superior más cálida y el depósito más frío que se encuentra debajo. Esta circulación extrae naturalmente la sal de la capa delgada de arriba al cuerpo de agua de abajo, donde está bien diluida y ya no es un problema. “Nos permite lograr un alto rendimiento al mismo tiempo que evita la acumulación de sal”, dice Wang, profesor de ingeniería de Ford y jefe del departamento de ingeniería mecánica.

Li explicó que las ventajas de este sistema son “tanto un alto rendimiento como un funcionamiento confiable, especialmente en condiciones extremas, donde podemos trabajar con agua salina cercana a la saturación. Y eso significa que también es muy útil para el tratamiento de aguas residuales”.

Agregó que gran parte del trabajo en este tipo de desalinización con energía solar se ha centrado en nuevos materiales. “Pero en nuestro caso, usamos materiales muy baratos, casi domésticos”.

La clave fue analizar y comprender el flujo convectivo que alimenta este sistema completamente pasivo, dice. «La gente piensa que siempre se necesitan nuevos materiales costosos o estructuras complicadas o estructuras absorbentes para hacer eso. Creo que este es el primer sistema que lo hace sin estructuras absorbentes», agregó.

Este nuevo enfoque «brinda una ruta prometedora y eficiente para la desalinización de soluciones de alta salinidad y podría cambiar las reglas del juego en la desalinización solar de agua», dijo Hadi Ghasemi, profesor de ingeniería química y biomolecular en la Universidad de Houston.

Sólo cuesta cuatro dólares alimentar a una familia

Hasta ahora, el equipo ha probado el concepto utilizando pequeños dispositivos de escritorio, por lo que el próximo paso será comenzar a avanzar hacia dispositivos que puedan tener aplicaciones prácticas.

Según sus cálculos, un sistema con solo un metro cuadrado de área de recolección debería ser suficiente para satisfacer las necesidades diarias de agua potable de una familia, dicen. Zhang dice que calcularon que los materiales necesarios para un dispositivo de un metro cuadrado solo costarían unos cuatro dólares.

Su dispositivo de prueba funcionó durante una semana sin ningún signo de acumulación de sal, dice Li, y el dispositivo es notablemente estable. «Incluso si aplicamos perturbaciones extremas, como olas en el mar o agua en un lago», donde un dispositivo de este tipo podría instalarse como una plataforma flotante, «puede volver muy rápidamente a su posición original. Equilibrio original», dice. .

El trabajo necesario para traducir esta prueba a escala de laboratorio en dispositivos comerciales viables para mejorar la tasa general de producción de agua debería ser posible dentro de unos años, dice Zhang. Es probable que las primeras aplicaciones sean el suministro de agua potable en lugares remotos fuera de la red, o para el alivio de desastres después de huracanes, terremotos u otras interrupciones en el suministro normal de agua.

Zhang agrega que «si podemos concentrar un poco la luz del sol, podríamos usar este dispositivo pasivo para generar vapor a alta temperatura para la esterilización médica» en áreas rurales sin conexión a la red.

un proceso natural

Así como el aire caliente sube y el aire frío se hunde, explica Zhang, la convección natural impulsa el proceso de desalinización en este dispositivo. En la capa de agua confinada cerca de la parte superior, «la evaporación ocurre en la interfaz superior. Debido a la sal, la densidad del agua en la interfaz superior es más alta y el agua del fondo tiene una densidad más baja. Entonces, esta es una fuerza impulsora original para esto». convección natural, porque la mayor densidad en la parte superior atrae el líquido salado hacia abajo». El agua evaporada desde la parte superior del sistema se puede recolectar en una superficie de condensación, proporcionando agua pura y blanda.

La liberación de sal del agua debajo también podría causar pérdida de calor en el proceso. Para evitar esto, se utilizó una ingeniería cuidadosa, incluida la fabricación de la capa perforada de un material altamente aislante para mantener concentrado el calor. El calentamiento solar en la parte superior se logra con una simple capa de pintura negra.

Estudio de referencia: https://www.nature.com/articles/s41467-022-28457-8

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