Tecnologia Científica

Sistema movido a energia solar oferece um caminho para dessalinização barata
O sistema de evaporaça£o solar passiva pode ser usado para limpar a¡guas residuais, fornecer águapota¡vel ou esterilizar ferramentas médicas em áreas fora da rede.
Por David L. Chandler - 16/02/2022


Pesquisadores do MIT desenvolveram um sistema de dessalinização movido a energia solar que émais eficiente e menos caro do que os manãtodos anteriores. Neste esquema, uma camada de águaconfinada acima do isolamento tanãrmico flutuante permite a localização tanãrmica simulta¢nea e a rejeição de sal. Imagem: Cortesia dos pesquisadores

Estima-se que dois tera§os da humanidade sejam afetados pela escassez de a¡gua, e muitas dessas áreas no mundo em desenvolvimento também enfrentam a falta de eletricidade confia¡vel. Esfora§os de pesquisa generalizados se concentraram, portanto, em maneiras de dessalinizar a águado mar ou águasalobra usando apenas calor solar. No entanto, muitos desses esforços tiveram problemas com a incrustação do equipamento causada pelo acaºmulo de sal, o que muitas vezes aumenta a complexidade e os custos.

Agora, uma equipe de pesquisadores do MIT e da China encontrou uma solução para o problema do acaºmulo de sal ose, no processo, desenvolveu um sistema de dessalinização que émais eficiente e menos caro do que os manãtodos anteriores de dessalinização solar. O processo também pode ser usado para tratar a¡guas residuais contaminadas ou gerar vapor para esterilização de instrumentos médicos, tudo sem exigir nenhuma fonte de energia além da própria luz solar.

As descobertas são descritas hoje na revista Nature Communications , em um artigo do estudante de pós-graduação do MIT Lenan Zhang, pa³s-doutorando Xiangyu Li, professor de engenharia meca¢nica Evelyn Wang e outros quatro.

“Houve muitas demonstrações de projetos de evaporação baseados em energia solar de alto desempenho e rejeição de sal de vários dispositivos”, diz Wang. “O desafio tem sido a questãoda incrustação de sal, que as pessoas realmente não abordaram. Então, vemos esses números de desempenho muito atraentes, mas geralmente são limitados por causa da longevidade. Com o tempo, as coisas va£o estragar.”

Muitas tentativas de sistemas de dessalinização solar dependem de algum tipo de pavio para atrair a águasalina atravanãs do dispositivo, mas esses pavios são vulnera¡veis ​​ao acaºmulo de sal e relativamente difa­ceis de limpar. A equipe se concentrou no desenvolvimento de um sistema sem pavio. O resultado éum sistema em camadas, com material escuro no topo para absorver o calor do sol, depois uma fina camada de águaacima de uma camada perfurada de material, sobre um reservata³rio profundo de águasalgada, como um tanque ou uma lagoa. Apa³s cuidadosos ca¡lculos e experimentos, os pesquisadores determinaram o tamanho ideal para os furos feitos no material perfurado, que em seus testes era feito de poliuretano. Com 2,5 mila­metros de dia¢metro, esses furos podem ser facilmente feitos usando jatos de águacomumente dispona­veis.

Os orifa­cios são grandes o suficiente para permitir uma circulação convectiva natural entre a camada superior de águamais quente e o reservata³rio mais frio abaixo. Essa circulação naturalmente atrai o sal da fina camada acima para o corpo de águamuito maior abaixo, onde fica bem dilua­do e não émais um problema. “Isso nos permite alcana§ar alto desempenho e ainda evitar esse acaºmulo de sal”, diz Wang, que éprofessor de engenharia da Ford e chefe do departamento de engenharia meca¢nica.

Li diz que as vantagens deste sistema são “tanto o alto desempenho quanto a operação confia¡vel, especialmente sob condições extremas, onde podemos realmente trabalhar com águasalina próxima a  saturação. E isso significa que também émuito útil para o tratamento de a¡guas residuais.”

Ele acrescenta que muito trabalho nessa dessalinização movida a energia solar se concentrou em novos materiais. “Mas, no nosso caso, usamos materiais realmente de baixo custo, quase domanãsticos.” A chave foi analisar e entender o fluxo convectivo que impulsiona esse sistema totalmente passivo, diz ele. “As pessoas dizem que vocêsempre precisa de novos materiais, caros ou estruturas complicadas ou estruturas de absorção para fazer isso. E este anã, eu acredito, o primeiro que faz isso sem estruturas de absorção.”

Essa nova abordagem “fornece um caminho promissor e eficiente para a dessalinização de soluções de alta salinidade e pode ser um divisor de a¡guas na dessalinização de águasolar”, diz Hadi Ghasemi, professor de engenharia química e biomolecular da Universidade de Houston, que não foi associado com este trabalho. “Mais trabalho énecessa¡rio para a avaliação desse conceito em grandes ambientes e em longas tiragens”, acrescenta.

Assim como o ar quente sobe e o ar frio desce, explica Zhang, a convecção natural impulsiona o processo de dessalinização neste dispositivo. Na camada de águaconfinada perto do topo, “a evaporação acontece na interface muito superior. Por causa do sal, a densidade da águana interface superior émais alta e a águado fundo tem densidade mais baixa. Portanto, esta éuma força motriz original para essa convecção natural, porque a densidade mais alta no topo faz com que o la­quido salgado desa§a.” A águaevaporada do topo do sistema pode então ser coletada em umasuperfÍcie de condensação, fornecendo águafresca pura.

A rejeição de sal para a águaabaixo também pode causar perda de calor no processo, evitando que isso exigia uma engenharia cuidadosa, incluindo fazer a camada perfurada de material altamente isolante para manter o calor concentrado acima. O aquecimento solar na parte superior érealizado atravanãs de uma simples camada de tinta preta.

Atéagora, a equipe provou o conceito usando pequenos dispositivos de bancada, então o pra³ximo passo serácomea§ar a escalar para dispositivos que possam ter aplicações prática s. Com base em seus ca¡lculos, um sistema com apenas 1 metro quadrado de área de coleta deve ser suficiente para suprir as necessidades dia¡rias de águapota¡vel de uma fama­lia, dizem eles. Zhang diz que eles calcularam que os materiais necessa¡rios para um dispositivo de 1 metro quadrado custariam apenas cerca de US$ 4.

Seu aparato de teste funcionou por uma semana sem sinais de acaºmulo de sal, diz Li. E o dispositivo énotavelmente esta¡vel. “Mesmo se aplicarmos alguma perturbação extrema, como ondas na águado mar ou no lago”, onde tal dispositivo poderia ser instalado como uma plataforma flutuante, “ele pode retornar a  sua posição de equila­brio original muito rapidamente”, diz ele.

O trabalho necessa¡rio para traduzir essa prova de conceito em escala de laboratório em dispositivos comerciais via¡veis ​​e melhorar a taxa geral de produção de águadeve ser possí­vel dentro de alguns anos, diz Zhang. As primeiras aplicações provavelmente sera£o o fornecimento de águapota¡vel em locais remotos fora da rede, ou para ala­vio de desastres após furacaµes, terremotos ou outras interrupções no abastecimento normal de a¡gua.

Zhang acrescenta que “se pudermos concentrar um pouco a luz do sol, podera­amos usar esse dispositivo passivo para gerar vapor de alta temperatura para fazer esterilização médica” para áreas rurais fora da rede.

“Acho que uma oportunidade real éo mundo em desenvolvimento”, diz Wang. “Acho que éonde háimpacto mais prova¡vel no curto prazo, devido a  simplicidade do design.” Mas, ela acrescenta, “se realmente queremos divulga¡-lo, também precisamos trabalhar com os usuários finais, para realmente poder adotar a maneira como o projetamos para que eles estejam dispostos a usa¡-lo”.

“Esta éuma nova estratanãgia para resolver o problema do acaºmulo de sal na evaporação solar”, diz Peng Wang, professor da Universidade de Ciência e Tecnologia Rei Abdullah, na Ara¡bia Saudita, que não esteve associado a esta pesquisa. “Este design elegante inspirara¡ novas inovações no design de evaporadores solares avana§ados. A estratanãgia émuito promissora devido a  sua alta eficiência energanãtica, durabilidade de operação e baixo custo, o que contribui para a dessalinização de águapassiva e de baixo custo para produzir águadoce a partir de várias fontes de águacom alta salinidade, por exemplo, águado mar, salmoura ou a¡guas subterra¢neas salobras .”

A equipe também incluiu Yang Zhong, Arny Leroy e Lin Zhao no MIT e Zhenyuan Xu na Shanghai Jiao Tong University na China. O trabalho foi apoiado pela Singapore-MIT Alliance for Research and Technology, o US-Egypt Science and Technology Joint Fund, e usou instalações apoiadas pela National Science Foundation.

 

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