De acordo com as Nações Unidas, 2,2 mil milhões de pessoas ainda não têm acesso a água potável gerida de forma segura. Para satisfazer a procura crescente, regiões desde a Califórnia até partes do Médio Oriente dependem de centrais de dessalinização para converter a água do mar em água doce.
Os métodos tradicionais de dessalinização, como a osmose reversa e a destilação térmica, são caros e consomem muita energia. Eles normalmente requerem tratamento químico antes e depois do tratamento da água e produzem grandes quantidades de salmoura concentrada chamada salmoura. Quando a água salgada é drenada de volta para o oceano, aumenta a salinidade e reduz os níveis de oxigénio, prejudicando os ecossistemas marinhos.
Pesquisadores da Universidade de Rochester desenvolveram um novo método que poderia resolver alguns desses desafios. Seu sistema de dessalinização movido a energia solar produz água doce com eficiência, opera sem pré-tratamento químico e evita a criação de resíduos de salmoura. A pesquisa foi liderada por Chunlei Guo, professor de óptica e física e cientista sênior do Laboratório de Energia Laser da universidade. A equipe descreve a técnica no diário Luz: Ciência e Aplicações.
Painéis solares tratados a laser conduzem o processo
O sistema conta com painéis solares especialmente projetados, feitos de metal ferroso e texturizados com lasers de femtossegundos. Este tratamento confere duas propriedades importantes à superfície. Absorve quase toda a luz solar incidente e absorve fortemente água, uma propriedade chamada superhigroscopicidade.
As áreas ativas com padrão a laser pintam uma fina camada de água do mar no painel. Quando a luz solar é absorvida, a água evapora e destila em água doce. Ao mesmo tempo, os sais e minerais dissolvidos são direcionados para longe da área ativa e depositados na porção não tratada do painel, conhecida como área passiva.
Ao afastar o sal da zona de evaporação, o design evita o acúmulo de sal que poderia interferir na operação contínua.
Evite entupimentos usando o efeito de anel de café
Guo observou que várias tecnologias de dessalinização térmica solar mostraram resultados promissores em estudos de laboratório utilizando água do mar simplificada composta apenas de água e cloreto de sódio.
Nestas experiências, os cristais de cloreto de sódio formaram uma estrutura solta e porosa à medida que a água evaporava. A água pode continuar a fluir através desses cristais, dissolvendo-os e tornando o sistema relativamente fácil de limpar.
A água do mar real é muito mais complicada.
Além do cloreto de sódio, o oceano contém muitos outros minerais dissolvidos. Materiais que contêm magnésio e cálcio geralmente formam uma casca dura e densa quando cristalizam. Esses sedimentos podem bloquear o fluxo de água e, em última análise, interromper o processo de dessalinização.
O problema é semelhante à incrustação mineral que se acumula em um bule de chá com o tempo ou obstrui o chuveiro, exceto que a concentração de sais dissolvidos na água do mar é muito maior.
Para superar esse desafio, a equipe de Rochester projetou ranhuras microscópicas na superfície do metal ferroso. Este padrão incentiva os sais e minerais a deixarem as áreas ativas antes de se acumularem.
Os pesquisadores também aproveitaram um fenômeno físico familiar conhecido como efeito do anel de café.
“Se você pingar café em uma superfície, eventualmente a água irá evaporar, deixando um anel ao redor da borda externa, que são as partículas concentradas de café”, disse Guo. “Usamos o mesmo princípio para empurrar o sal para áreas passivas”.
Quando a equipe testou a tecnologia usando amostras de água coletadas nos oceanos Pacífico, Atlântico e Índico, a superfície limpou-se efetivamente. A água doce é extraída continuamente, enquanto o sal é direcionado para áreas passivas onde pode posteriormente ser coletado sem degradar o desempenho.
Recicle minerais valiosos em vez de criar resíduos
Uma das vantagens mais significativas deste sistema é a forma como o sal restante é eliminado.
A salmoura líquida produzida pela dessalinização convencional deve ser tratada, descartada ou descartada no meio ambiente. Em vez disso, o novo processo recupera quase todo o sal dissolvido na forma sólida.
Esses materiais reciclados podem se tornar recursos valiosos. Além de produzir sal de cozinha, o processo pode ajudar a extrair minerais importantes como o lítio, um ingrediente-chave nas baterias de íon-lítio usadas em veículos elétricos e em muitos produtos eletrônicos de consumo.
Publicado em ” Revista de Química de Materiais AGuo e colegas demonstraram que os mesmos painéis solares superwicking também podem separar o lítio de outros sais.
Para conseguir isso, os pesquisadores incorporaram nanopartículas de titanato de hidrogênio em ranhuras microscópicas na superfície do metal negro. Essas partículas separam seletivamente o lítio de outros minerais dissolvidos.
“A mineração de lítio da terra provou ser muito trabalhosa do ponto de vista energético e ambiental, portanto a extração de lítio diretamente da salmoura pode ser uma rota muito importante no futuro”, disse Guo.
Usando água do Grande Lago Salgado de Utah, a equipe de pesquisa recuperou com sucesso cerca de 50% do lítio no sal restante após a dessalinização.
Potencial para produção de água doce em grande escala
Embora a tecnologia só tenha sido demonstrada em dispositivos de prova de conceito até agora, Guo acredita que a abordagem pode ser ampliada significativamente.
Se for expandido com sucesso, o sistema poderá ajudar a aumentar o acesso à água potável, ao mesmo tempo que criará uma fonte mais sustentável de minerais essenciais.
Esta pesquisa foi apoiada pela National Science Foundation, pela Fundação Bill & Melinda Gates e pela Global Universities Network. Outros colaboradores do Instituto de Óptica incluem o cientista sênior Subash Singh, o ex-aluno Ran Wei ’24 (PhD), os estudantes de doutorado Luheng Tang, Tainshu Xu e Mingjian Ma.
