Dessalinização com água doce mais barata que a água da torneira

A equipe descreve o projeto de um novo sistema de dessalinização solar que absorve água salgada e a aquece com luz solar natural, conforme publicação na Joule. A configuração do dispositivo permite que a água circule em redemoinhos, de maneira semelhante à circulação “termohalina” muito maior do oceano. Essa circulação, combinada com o calor do sol, faz com que a água evapore, deixando o sal para trás. O vapor de água resultante pode então ser condensado e coletado como água pura e potável. Entretanto, o sal restante continua a circular através e fora do dispositivo, em vez de se acumular e obstruir o sistema.
O novo sistema tem uma taxa de produção de água mais elevada e uma taxa de rejeição de sal mais elevada do que todos os outros conceitos de dessalinização solar passiva actualmente em teste.
Os pesquisadores estimam que se o sistema for ampliado para o tamanho de uma mala pequena, poderá produzir cerca de 4 a 6 litros de água potável por hora e durar vários anos antes de exigir peças de reposição.
Nesta escala e desempenho, o sistema poderia produzir água potável a uma taxa e preço mais baratos do que a água da torneira. “Pela primeira vez, é possível que a água produzida pela luz solar seja ainda mais barata do que a água da torneira”, afirma Lenan Zhang, cientista pesquisador do Laboratório de Pesquisa de Dispositivos do MIT. A equipe prevê que um dispositivo ampliado poderia produzir passivamente água potável suficiente para atender às necessidades diárias de uma pequena família. O sistema também poderia abastecer comunidades costeiras fora da rede, onde a água do mar é facilmente acessível.
Os co-autores do estudo de Zhang incluem Yang Zhong, estudante de pós-graduação do MIT, e Evelyn Wang, professora de engenharia da Ford, juntamente com Jintong Gao, Jinfang You, Zhanyu Ye, Ruzhu Wang e Zhenyuan Xu da Universidade Jiao Tong de Xangai, na China.
Uma convecção poderosa
O novo sistema da equipe melhora seu design anterior – um conceito semelhante de múltiplas camadas, chamadas estágios.
Cada estágio continha um evaporador e um condensador que usava o calor do sol para separar passivamente o sal da água que entrava. Esse projeto, que a equipe testou no telhado de um prédio do MIT, converteu eficientemente a energia do sol na evaporação da água, que foi então condensada em água potável. Mas o sal que sobrou rapidamente se acumulou na forma de cristais que obstruíram o sistema depois de alguns dias. Num cenário real, um utilizador teria de colocar estágios com frequência, o que aumentaria significativamente o custo global do sistema.
Num esforço de acompanhamento, eles desenvolveram uma solução com uma configuração de camadas semelhante, desta vez com um recurso adicional que ajudava a circular a água que entrava, bem como qualquer sal restante. Embora esse projeto evitasse que o sal se depositasse e se acumulasse no dispositivo, dessalinizou a água a uma taxa relativamente baixa.
Na última iteração, a equipe acredita ter chegado a um projeto que atinge uma alta taxa de produção de água e uma alta rejeição de sal, o que significa que o sistema pode produzir água potável de forma rápida e confiável por um longo período. A chave para seu novo design é uma combinação de seus dois conceitos anteriores: um sistema multiestágio de evaporadores e condensadores, que também é configurado para aumentar a circulação de água – e sal – dentro de cada estágio.
“Introduzimos agora uma convecção ainda mais poderosa, semelhante à que normalmente vemos no oceano, em escalas de quilômetros de extensão”, diz Xu.
As pequenas circulações geradas no novo sistema da equipe são semelhantes à convecção “termohalina” no oceano – um fenômeno que impulsiona o movimento da água ao redor do mundo, com base nas diferenças de temperatura do mar (“termo”) e salinidade (“halina”). ).
“Quando a água do mar é exposta ao ar, a luz solar faz com que a água evapore. Depois que a água sai da superfície, o sal permanece. E quanto maior a concentração de sal, mais denso é o líquido, e essa água mais pesada quer fluir para baixo”, explica Zhang. “Ao imitar este fenômeno de quilômetros de extensão em uma pequena caixa, podemos aproveitar esse recurso para rejeitar o sal”.
Batendo
O coração do novo design da equipe é um estágio único que lembra uma caixa fina, coberto com um material escuro que absorve eficientemente o calor do sol. No interior, a caixa é separada em seções superior e inferior. A água pode fluir pela metade superior, onde o teto é revestido por uma camada evaporadora que utiliza o calor do sol para aquecer e evaporar qualquer água em contato direto. O vapor de água é então canalizado para a metade inferior da caixa, onde uma camada de condensação resfria o vapor em um líquido potável sem sal. Os pesquisadores inclinaram a caixa inteira dentro de um recipiente maior e vazio, depois anexaram um tubo da metade superior da caixa até o fundo do recipiente e fizeram o recipiente flutuar em água salgada.
Nesta configuração, a água pode naturalmente subir através do tubo e entrar na caixa, onde a inclinação da caixa, combinada com a energia térmica do sol, induz a água a girar à medida que flui. Os pequenos redemoinhos ajudam a colocar a água em contato com a camada superior de evaporação, ao mesmo tempo que mantêm o sal circulando, em vez de sedimentar e entupir.
A equipe construiu diversos protótipos, com um, três e 10 estágios, e testou seu desempenho em águas de salinidade variada, incluindo água do mar natural e água sete vezes mais salgada.
A partir destes testes, os investigadores calcularam que se cada fase fosse ampliada para um metro quadrado, produziria até 5 litros de água potável por hora, e que o sistema poderia dessalinizar a água sem acumular sal durante vários anos. Dada esta vida útil prolongada e o facto de o sistema ser totalmente passivo, não necessitando de eletricidade para funcionar, a equipa estima que o custo global de funcionamento do sistema seria mais barato do que o custo para produzir água canalizada nos Estados Unidos.
“Mostramos que este dispositivo é capaz de ter uma vida útil longa”, diz Zhong. “Isso significa que, pela primeira vez, é possível que a água potável produzida pela luz solar seja mais barata do que a água da torneira. Isto abre a possibilidade de a dessalinização solar resolver problemas do mundo real.”
O financiamento para a pesquisa na Universidade Jiao Tong de Xangai foi apoiado pela Fundação de Ciências Naturais da China