El sistema de energía solar ofrece una ruta hacia la desalinización económica. El sistema de evaporación solar pasiva podría usarse para limpiar aguas residuales, proporcionar agua potable o esterilizar herramientas médicas en áreas fuera de la red.
Se estima que dos tercios de la humanidad se ven afectados por la escasez de agua, y muchas de esas áreas en el mundo en desarrollo también enfrentan una falta de electricidad confiable. Por lo tanto, los esfuerzos de investigación generalizados se han centrado en formas de desalinizar el agua de mar o el agua salobre utilizando solo el calor solar. Sin embargo, muchos de estos esfuerzos se han topado con problemas de ensuciamiento de los equipos causados por la acumulación de sal, lo que a menudo aumenta la complejidad y los gastos.
Ahora, un equipo de investigadores del MIT y de China ha encontrado una solución al problema de la acumulación de sal y, en el proceso, ha desarrollado un sistema de desalinización que es más eficiente y menos costoso que los métodos anteriores de desalinización solar. El proceso también podría usarse para tratar aguas residuales contaminadas o generar vapor para esterilizar instrumentos médicos, todo sin requerir ninguna fuente de energía que no sea la luz solar.
Los hallazgos se describen hoy 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 basados en energía solar, que rechazan la sal y de muy alto rendimiento de varios dispositivos", dice Wang. "El desafío ha sido el problema de las incrustaciones de sal, que la gente realmente no ha abordado. Entonces, vemos estos números de rendimiento muy atractivos, pero a menudo están limitados debido a la longevidad. Con el tiempo, las cosas se estropearán".
Muchos intentos de sistemas de desalinización solar se basan en algún tipo de mecha para extraer el agua salada a través del dispositivo, pero estas mechas son vulnerables a la acumulación de sal y relativamente difíciles de limpiar. En su lugar, el equipo se centró en desarrollar un sistema sin mechas. El resultado es un sistema en capas, con material oscuro en la parte superior para absorber el calor del sol, luego una capa delgada de agua sobre una capa perforada de material, asentada sobre un depósito profundo de agua salada, como un tanque o un estanque. Después de cuidadosos cálculos y experimentos, los investigadores determinaron el tamaño óptimo de los agujeros perforados en el material perforado, que en sus pruebas estaba hecho de poliuretano. Con 2,5 milímetros de ancho, estos orificios se pueden hacer fácilmente con chorros de agua comúnmente disponibles.
Los orificios son lo suficientemente grandes como para permitir una circulación convectiva natural entre la capa de agua superior más cálida y el depósito más frío que se encuentra debajo. Esa circulación atrae naturalmente la sal de la capa delgada de arriba hacia el cuerpo de agua mucho más grande que se encuentra debajo, donde se diluye bien y deja de ser un problema. "Nos permite lograr un alto rendimiento y, al mismo tiempo, evitar esta acumulación de sal", dice Wang, quien es profesor de ingeniería de Ford y jefe del Departamento de Ingeniería Mecánica.
Li dice que las ventajas de este sistema son "tanto el alto rendimiento como la operación 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".
Agrega que gran parte del trabajo en este tipo de desalinización con energía solar se ha centrado en materiales novedosos. "Pero en nuestro caso, usamos materiales de muy bajo costo, casi domésticos". La clave fue analizar y comprender el flujo convectivo que impulsa este sistema completamente pasivo, dice. "La gente dice que siempre se necesitan materiales nuevos, costosos o estructuras complicadas o estructuras absorbentes para hacer eso. Y este es, creo, el primero que hace esto sin estructuras absorbentes".
Este nuevo enfoque "brinda un camino prometedor y eficiente para la desalinización de soluciones de alta salinidad, y podría cambiar las reglas del juego en la desalinización solar de agua", dice Hadi Ghasemi, profesor de ingeniería química y biomolecular en la Universidad de Houston, que no estuvo asociado con este trabajo "Se requiere más trabajo para la evaluación de este concepto en entornos grandes y en tiradas largas", agrega.
Así como sube el aire caliente y baja el aire frío, 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 interfase superior es más alta y el agua del fondo tiene una densidad más baja. Entonces, esta es una fuerza impulsora original para esta convección natural porque la mayor densidad en la parte superior hace que el líquido salado baje". El agua evaporada desde la parte superior del sistema se puede recolectar en una superficie de condensación, proporcionando agua dulce pura.
El rechazo de la sal al agua que se encuentra debajo también podría causar la pérdida de calor en el proceso, por lo que evitarlo requirió una ingeniería cuidadosa, incluida la fabricación de la capa perforada con un material altamente aislante para mantener el calor concentrado arriba. El calentamiento solar en la parte superior se logra a través de una simple capa de pintura negra.
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| Este gif muestra el flujo de fluido visualizado por colorante alimentario. El lado izquierdo muestra el transporte lento de agua desionizada coloreada desde la parte superior hasta la parte inferior del agua a granel. El lado derecho muestra el rápido transporte de agua salina coloreada desde la parte superior hasta la parte inferior del agua a granel impulsada por el efecto de convección natural. |
Hasta ahora, el equipo ha probado el concepto utilizando pequeños dispositivos de sobremesa, por lo que el próximo paso será comenzar a escalar hacia dispositivos que podrían tener aplicaciones prácticas. Según sus cálculos, un sistema con solo 1 metro cuadrado (alrededor de una yarda cuadrada) 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 1 metro cuadrado costarían solo alrededor de cuatro dolares estadounidenses.
Su aparato de prueba funcionó durante una semana sin signos de acumulación de sal, dice Li. Y el dispositivo es notablemente estable. "Incluso si aplicamos alguna perturbación extrema, como olas en el agua del mar o en el lago", donde dicho dispositivo podría instalarse como una plataforma flotante, "puede volver a su posición de equilibrio original muy rápido", dice.
El trabajo necesario para traducir esta prueba de concepto a escala de laboratorio en dispositivos comerciales viables y para mejorar la tasa general de producción de agua debería ser posible en unos pocos años, dice Zhang. Es probable que las primeras aplicaciones sean el suministro de agua segura en lugares remotos fuera de la red, o para el alivio de desastres después de huracanes, terremotos u otras interrupciones del 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 esterilizar médicamente" en áreas rurales sin conexión a la red.
"Creo que una oportunidad real es el mundo en desarrollo", dice Wang. "Creo que ahí es donde hay un impacto más probable a corto plazo, debido a la simplicidad del diseño". Pero, agrega, "si realmente queremos sacarlo a la luz, también debemos trabajar con los usuarios finales, para poder realmente adoptar la forma en que lo diseñamos para que estén dispuestos a usarlo".
"Esta es una nueva estrategia para resolver el problema de la acumulación de sal en la evaporación solar", dice Peng Wang, profesor de la Universidad de Ciencia y Tecnología King Abdullah en Arabia Saudita, que no participó en esta investigación. "Este elegante diseño inspirará nuevas innovaciones en el diseño de evaporadores solares avanzados. La estrategia es muy prometedora debido a su alta eficiencia energética, durabilidad de operación y bajo costo, lo que contribuye a la desalinización de agua pasiva y de bajo costo para producir agua dulce a partir de varias fuentes de agua con alta salinidad, por ejemplo, agua de mar, salmuera o agua subterránea salobre."
El equipo también incluyó a Yang Zhong, Arny Leroy y Lin Zhao en el MIT, y Zhenyuan Xu en la Universidad Shanghai Jiao Tong en China. El trabajo fue apoyado por la Alianza Singapur-MIT para la Investigación y la Tecnología, el Fondo Conjunto de Ciencia y Tecnología EE.UU.-Egipto y las instalaciones utilizadas apoyadas por la Fundación Nacional de Ciencias.
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