Un esfuerzo de investigación financiado por el gobierno federal para revolucionar el tratamiento del agua ha dado como resultado una tecnología fuera de la red que usa energía de la luz solar sola para convertir el agua salada en agua potable fresca. El sistema de desalinización, que utiliza una combinación de tecnología de destilación de membrana y nanofotónica de recolección de luz, es la primera gran innovación del Centro para el Tratamiento del Agua con Nanotecnología NEWT, un centro de investigación de ingeniería multiinstitucional con sede en la Universidad de Rice.
La tecnología de destilación de membrana solar habilitada con nanofotónica de NEWT, o NESMD, combina métodos de tratamiento de agua probados y verdaderos con nanotecnología de vanguardia que convierte la luz solar en calor. La tecnología se describe en línea esta semana en el Actas de la Academia Nacional de Ciencias .
Más de 18,000 plantas de desalinización operan en 150 países, pero la tecnología de desalinización de NEWT es diferente a cualquier otra utilizada en la actualidad.
"La desalinización solar directa podría cambiar las reglas del juego para algunos de los mil millones de personas que carecen de acceso a agua potable limpia", dijo el científico de Rice y experto en tratamiento de aguas Qilin Li, autor correspondiente del estudio ".La tecnología es capaz de proporcionar suficiente agua limpia para uso familiar en una superficie compacta, y se puede ampliar para proporcionar agua a comunidades más grandes ".
El método más antiguo para hacer agua dulce a partir del agua salada es la destilación. El agua salada se hierve, y el vapor se captura y pasa por un serpentín de condensación. La destilación se ha utilizado durante siglos, pero requiere una infraestructura compleja y es ineficiente en energía debido a lacantidad de calor requerida para hervir agua y producir vapor. Más de la mitad del costo de operación de una planta de destilación de agua es para energía.
Una tecnología emergente para la desalinización es la destilación de membrana, donde el agua salada caliente fluye a través de un lado de una membrana porosa y el agua dulce fría fluye a través del otro. El vapor de agua se extrae naturalmente a través de la membrana desde el lado caliente al frío, yDebido a que el agua de mar no necesita ser hervida, los requerimientos de energía son menores de lo que serían para la destilación tradicional. Sin embargo, los costos de energía siguen siendo significativos porque el calor se pierde continuamente desde el lado caliente de la membrana hacia el frío.
"A diferencia de la destilación de membrana tradicional, NESMD se beneficia de aumentar la eficiencia con la escala", dijo Naomi Halas de Rice, autora correspondiente en el artículo y líder de los esfuerzos de investigación en nanofotónica de NEWT. "Requiere una energía de bombeo mínima para una conversión óptima del destilado, y allíhay varias maneras en que podemos optimizar aún más la tecnología para que sea más productiva y eficiente ".
La nueva tecnología de NEWT se basa en la investigación en el laboratorio de Halas para crear nanopartículas de ingeniería que cosechan hasta el 80 por ciento de la luz solar para generar vapor. Al agregar nanopartículas de bajo costo y disponibles comercialmente a una membrana porosa, NEWT esencialmente ha convertido la membrana en sí mismaen un elemento de calentamiento unilateral que solo calienta el agua para conducir la destilación de la membrana.
"La integración de las capacidades de calentamiento fototérmico dentro de una membrana de purificación de agua para la desalinización directa impulsada por el sol abre nuevas oportunidades en la purificación del agua", dijo Menachem "Meny" Elimelech de la Universidad de Yale, coautora del nuevo estudio y NEWT'sinvestigador principal para procesos de membrana.
En el estudio PNAS, los investigadores ofrecieron resultados de prueba de concepto basados en pruebas con una cámara NESMD del tamaño de tres sellos postales y solo unos pocos milímetros de espesor. La membrana de destilación en la cámara contenía una capa superior de carbono especialmente diseñadananopartículas negras infundidas en un polímero poroso. Las nanopartículas que capturan la luz calientan toda la superficie de la membrana cuando se exponen a la luz solar. Una delgada capa de agua salada de medio milímetro de espesor fluyó sobre la capa de negro de humo y una corriente de agua dulce fría fluyóabajo.
Li, el líder de los bancos de pruebas de tratamiento avanzado de NEWT en Rice, dijo que la tasa de producción de agua aumentó en gran medida al concentrar la luz solar. "La intensidad aumentó 17.5 kilovatios por metro cuadrado cuando se usó una lente para concentrar la luz solar 25 veces, yla producción de agua aumentó a unos 6 litros por metro cuadrado por hora "
Li dijo que el equipo de investigación de NEWT ya ha hecho un sistema mucho más grande que contiene un panel de aproximadamente 70 centímetros por 25 centímetros. Finalmente, dijo, NEWT espera producir un sistema modular donde los usuarios puedan ordenar tantos paneles como necesiten segúnen sus demandas diarias de agua.
"Podrías ensamblarlos juntos, tal como lo harías con los paneles en una granja solar", dijo. "Dependiendo de la tasa de producción de agua que necesites, podrías calcular cuánta área de membrana necesitarías. Por ejemplo, sinecesita 20 litros por hora, y los paneles producen 6 litros por hora por metro cuadrado, usted ordenaría un poco más de 3 metros cuadrados de paneles ".
Establecida por la National Science Foundation en 2015, NEWT tiene como objetivo desarrollar sistemas de tratamiento de agua compactos, móviles y fuera de la red que puedan proporcionar agua limpia a millones de personas que carecen de ella y hacer que la producción de energía de los EE. UU. Sea más sostenible y rentable.NEWT, que se espera que aproveche más de $ 40 millones en apoyo federal e industrial durante la próxima década, es el primer Centro de Investigación de Ingeniería ERC de NSF en Houston y solo el tercero en Texas desde que NSF comenzó el programa ERC en 1985. NEWT se enfocasobre aplicaciones para la respuesta humanitaria de emergencia, sistemas de agua rurales y tratamiento y reutilización de aguas residuales en sitios remotos, incluidas plataformas de perforación tanto en tierra como en alta mar para la exploración de petróleo y gas.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Rice . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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