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(noticias nanowerk) Ingenieros del MIT y de China quieren convertir el agua de mar en agua potable mediante un dispositivo completamente pasivo inspirado en el mar y alimentado por el sol.
En un artículo aparecido en la revista. julios (“Destilación solar multietapa extremadamente resistente a la sal con convección termohalina”), el equipo describe el diseño de un nuevo sistema de desalinización solar que toma agua salada y la calienta con luz solar natural.
La configuración del dispositivo permite que el agua circule en remolinos, similar a la circulación «termohalina» mucho más grande del océano. Esta circulación, combinada con el calor del sol, hace que el agua se evapore y quede sal. El vapor de agua resultante se puede condensar y recoger como agua potable pura. Mientras tanto, la sal sobrante seguirá circulando a través y fuera del dispositivo en lugar de acumularse y obstruir el sistema.
El nuevo sistema tiene una tasa de producción de agua más alta y una tasa de retención de sal más alta que cualquier otro concepto de desalinización solar pasiva que se esté probando actualmente.
Los investigadores estiman que si se ampliara al tamaño de una maleta pequeña, el sistema podría producir entre 4 y 6 litros de agua potable por hora y durar varios años antes de que se necesitaran piezas de repuesto. Con este tamaño y producción, el sistema podría producir agua potable a un costo y precio más baratos que el agua del grifo.
«Por primera vez, es posible que el agua producida por la luz solar sea incluso más barata que el agua del grifo», afirma Lenan Zhang, investigadora del Laboratorio de Investigación de Dispositivos del MIT.
El equipo prevé que un dispositivo ampliado podría producir pasivamente suficiente agua potable para satisfacer las necesidades diarias de una familia pequeña. El sistema también podría servir a comunidades costeras aisladas de la red donde se puede acceder fácilmente al agua de mar.
Los coautores del estudio de Zhang incluyen al estudiante graduado del MIT Yang Zhong y a la profesora de ingeniería Ford Evelyn Wang, así como a Jintong Gao, Jinfang You, Zhanyu Ye, Ruzhu Wang y Zhenyuan Xu de la Universidad Jiao Tong de Shanghai en China.
Una fuerte convección
El nuevo sistema del equipo mejora su diseño anterior: un concepto similar de múltiples capas, llamadas niveles. Cada etapa contenía un evaporador y un condensador que utilizaba el calor solar para separar pasivamente la sal del agua entrante. Este diseño, que el equipo probó en el techo de un edificio del MIT, convirtió de manera eficiente la energía solar en evaporación de agua, que luego se condensó en agua potable. Pero la sal restante se acumuló rápidamente formando cristales, que obstruyeron el sistema después de unos días. En un entorno real, un usuario a menudo necesitaría colocar etapas, lo que aumentaría significativamente el coste total del sistema.
En un proyecto de seguimiento, desarrollaron una solución con una configuración de capas similar, esta vez con una característica adicional que ayudó a hacer circular el agua entrante, así como la sal sobrante. Aunque este diseño evita que la sal se deposite y se acumule en el dispositivo, desaliniza el agua con relativa lentitud.
El equipo cree que con la última versión han encontrado un diseño que logra tanto una alta tasa de producción de agua como una alta retención de sal, lo que significa que el sistema puede producir agua potable de forma rápida y confiable durante un período prolongado de tiempo. La clave de su nuevo diseño es una combinación de sus dos conceptos anteriores: un sistema de evaporadores y condensadores de múltiples etapas, que también está configurado para promover la circulación de agua (y sal) en cada etapa.
«Ahora estamos introduciendo una convección aún más fuerte, similar a la que normalmente vemos en el océano, en escalas de kilómetros de largo», dice Xu.
Las pequeñas circulaciones creadas en el nuevo sistema del equipo son similares a la convección «termohalina» en el océano, un fenómeno que impulsa el movimiento del agua alrededor del mundo en función de las diferencias en la temperatura del océano («termo») y la salinidad («halina») . ).
“Cuando el agua de mar se expone al aire, la luz solar hace que el agua se evapore. Tan pronto como el agua sale de la superficie, queda sal. Y cuanto mayor es la concentración de sal, más denso es el líquido y esta agua más pesada quiere fluir hacia abajo”, explica Zhang. «Al replicar este fenómeno de una milla de ancho en una caja pequeña, podemos usar esta característica para rechazar la sal».
Abandonar
La pieza central del nuevo diseño del equipo es un escenario único que se asemeja a una caja delgada y está cubierto con un material oscuro que absorbe eficientemente el calor del sol. El interior de la caja está dividido en una parte superior y otra inferior. El agua puede fluir a través de la mitad superior, donde el techo está revestido con una capa evaporativa que utiliza el calor del sol para calentar y evaporar el agua en contacto directo. Luego, el vapor de agua se dirige a la mitad inferior de la caja, donde una capa de condensación convierte el vapor en un líquido potable sin sal mediante enfriamiento por aire. Los investigadores colocaron toda la caja en ángulo en un frasco vacío más grande, luego conectaron una manguera desde la mitad superior de la caja hasta el fondo del frasco y lo hicieron flotar en agua salada.
En esta configuración, el agua puede subir naturalmente a través de la tubería y entrar en la caja, donde la inclinación de la caja combinada con la energía térmica del sol hace que el agua se arremoline a medida que fluye. Los pequeños vórtices ayudan a mantener el agua en contacto con la capa evaporativa superior mientras hace circular la sal en lugar de sedimentarse y obstruirse.
El equipo construyó varios prototipos con una, tres y diez etapas y probó su rendimiento en agua con diferentes salinidades, incluida agua de mar natural y agua siete veces más salada.
A partir de estas pruebas, los investigadores calcularon que cada etapa, si se ampliara a un metro cuadrado, produciría hasta 5 litros de agua potable por hora y que el sistema podría desalinizar agua durante varios años sin acumulación de sal. Dada esta vida útil prolongada y el hecho de que el sistema es completamente pasivo y no requiere electricidad para funcionar, el equipo estima que el costo total de operación del sistema sería menor que el costo de producir agua del grifo en los Estados Unidos.
«Demostramos que este dispositivo puede lograr una larga vida útil», afirma Zhong. “Esto hace posible por primera vez que el agua potable producida por la luz solar sea más barata que el agua del grifo. Esto abre la oportunidad para que la desalinización solar aborde los problemas del mundo real”.
«Se trata de un enfoque muy innovador que mitiga eficazmente importantes desafíos en la desalinización», afirma Guihua Yu, que desarrolla sistemas sostenibles de almacenamiento de agua y energía en la Universidad de Texas en Austin y que no participó en la investigación. “El diseño es particularmente beneficioso para las regiones que luchan con agua altamente salina. Su diseño modular lo hace ideal para la producción de agua doméstica y permite escalabilidad y adaptabilidad a las necesidades individuales”.
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