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Se estima que dos tercios de la humanidad se ven afectados por la escasez de agua, y muchas partes del mundo en desarrollo también enfrentan una falta de electricidad confiable. Por lo tanto, muchos esfuerzos de investigación se han centrado en formas de desalinizar agua de mar o agua salobre utilizando solo calor solar. Sin embargo, muchos de estos esfuerzos han tenido problemas con el ensuciamiento del equipo causado por la acumulación de sal, lo que a menudo aumenta la complejidad y los gastos.
Ahora, un equipo de investigadores del MIT y China ha encontrado una solución al problema de la acumulación de sal y ha 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 utilizarse para tratar aguas residuales contaminadas o generar vapor para esterilizar instrumentos médicos, todo ello sin requerir ninguna fuente de energía distinta a la propia luz solar.
Los resultados se describen hoy en la revista Naturaleza Comunicaciónen 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 alto rendimiento de varios dispositivos», dijo 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 irán cuesta abajo.
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 mecha. 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 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 a través del material perforado, que en sus pruebas era poliuretano. Con 2,5 milímetros de diámetro, estos orificios se pueden hacer fácilmente con chorros de agua comúnmente disponibles.
Los agujeros 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 superior a la masa 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 al mismo tiempo que evita la acumulación de sal”, dice Wang, profesor de ingeniería de Ford y jefe del departamento de ingeniería mecánica.
Li dice que los beneficios de este sistema son “tanto el alto rendimiento como la operación confiable, especialmente en condiciones extremas, donde podemos trabajar con agua salina casi saturada. Y esto significa que también es muy útil para el tratamiento de aguas residuales.
Agrega que gran parte del trabajo en esta desalinización con energía solar se ha centrado en nuevos materiales. «Pero en nuestro caso, estamos usando materiales muy económicos, casi domésticos». La clave fue analizar y comprender el flujo convectivo que alimenta este sistema completamente pasivo, dice. “La gente dice que siempre se necesitan materiales nuevos, materiales caros, estructuras complicadas o estructuras absorbentes para hacer eso. Y es, creo, el primero que lo hace sin estructuras absorbentes.
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», dice Hadi Ghasemi, profesor de ingeniería química y biomolecular en la Universidad de Houston, que no estaba asociado a este trabajo. “Se necesita más trabajo para evaluar este concepto en contextos amplios y durante largos períodos de tiempo”, agrega.
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 se produce en la interfaz superior. Debido a la sal, la densidad del agua en la interfaz superior es mayor y el agua del fondo tiene una densidad menor. Así que es un impulsor novedoso para esta convección natural porque la mayor densidad en la parte superior empuja el líquido salado hacia abajo. El agua evaporada de la parte superior del sistema se puede recolectar en una superficie de condensación, proporcionando agua blanda pura.
La liberación de sal en el agua de abajo también podría resultar en la pérdida de calor en el proceso, evitando la necesidad de una ingeniería cuidadosa, incluida la fabricación de la capa perforada con un material altamente aislante para mantener el calor concentrado en la parte superior. El calentamiento solar en la parte superior se logra con una simple capa de pintura negra.
Hasta ahora, el equipo ha probado el concepto utilizando pequeños dispositivos de sobremesa, por lo que el próximo paso será comenzar a moverse hacia dispositivos que podrían tener aplicaciones prácticas. Según sus cálculos, un sistema con solo 1 metro cuadrado (alrededor de 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 alrededor de $4.
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 una perturbación extrema, como olas en el agua de mar o en el lago», donde un dispositivo de este tipo podría instalarse como una plataforma flotante, «puede volver muy rápidamente a su posición de equilibrio de origen», dice.
El trabajo necesario para traducir esta prueba de concepto a escala de laboratorio en dispositivos comerciales que funcionen y para mejorar la tasa general de producción de agua debería ser posible en unos pocos años, dijo Zhang. Es probable que las primeras aplicaciones brinden 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 realizar la esterilización médica» en áreas rurales sin conexión a la red.
«Creo que el mundo en desarrollo es una oportunidad real», dice Wang. «Creo que ahí es donde es más probable que haya un impacto a corto plazo, debido a la simplicidad del diseño». Pero, agrega, «si realmente queremos sacarlo a la luz, también tenemos que trabajar con los usuarios finales, para poder realmente adoptar la forma en que lo diseñamos para que estén listos para 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 estuvo asociado con 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 operativa y bajo costo, lo que contribuye a la desalinización pasiva y de bajo costo del agua para producir agua dulce de diversas fuentes, 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 del MIT, y Zhenyuan Xu de 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 Estados Unidos-Egipto para la Ciencia y la Tecnología, y se utilizaron instalaciones apoyadas por la Fundación Nacional de Ciencias.
