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Dessalinização solar direta

Nova tecnologia de dessalinização solar direta é uma combinação de tecnologia de destilação por membrana e nanofotônica

 

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Um esforço de pesquisa financiado pelo governo federal dos EUA para revolucionar o tratamento de água produziu uma tecnologia off-grid que usa energia da luz solar sozinha para transformar a água salgada em água potável fresca. O sistema de dessalinização, que utiliza uma combinação de tecnologia de destilação por membrana e nanofotônica de captação de luz, é a primeira grande inovação do Center for Nanotechnology Enabled Water Treatment (NEWT), um centro de pesquisa de engenharia multi-institucional com sede na Rice University.

A tecnologia “nanophotonics-enabled solar membrane distillation” (NESMD) do NEWT, combina métodos de tratamento de água testados e aprovados com nanotecnologia de ponta que converte a luz solar em calor. A tecnologia é descrita on-line esta semana nos Proceedings da National Academy of Sciences (PNAS).

Mais de 18.000 plantas de dessalinização operam em 150 países, mas a tecnologia de dessalinização do NEWT é diferente de qualquer outra usada hoje.

“A dessalinização solar direta poderia ser uma virada de jogo para algumas das estimadas 1 bilhão de pessoas que não têm acesso a água potável”, disse a cientista da Rice e especialista em tratamento de água, Qilin Li, autora correspondente do estudo. “Esta tecnologia off-grid é capaz de fornecer água limpa suficiente para uso familiar com uma pegada compacta, e pode ser ampliada para fornecer água para comunidades maiores”.

Destilação

O método mais antigo para fazer água doce a partir de água salgada é a destilação. A água salgada é fervida e o vapor é capturado e corre através de uma serpentina de condensação. A destilação tem sido utilizada há séculos, mas exige uma infraestrutura complexa e é ineficiente em energia devido à quantidade de calor necessária para ferver água e produzir vapor. Mais de metade do custo de operação de uma planta de destilação de água é para energia.

Uma tecnologia emergente para dessalinização é a destilação por membrana, onde a água salgada é circulada por um lado de uma membrana porosa e a água doce fria circula pelo outro. O vapor de água é naturalmente atraído através da membrana do lado quente para o frio, e porque a água do mar não precisa ser fervida, os requisitos de energia são menores do que seriam para a destilação tradicional. No entanto, os custos de energia ainda são significativos porque o calor é continuamente perdido do lado quente da membrana para o frio.

“Ao contrário da destilação por membrana tradicional, a NESMD se beneficia do aumento da eficiência com a escala”, disse Naomi Halas, da Rice, uma autora correspondente no paper e líder dos esforços de pesquisa nanofotônica do NEWT. “Requer uma mínima energia de bombeamento para a conversão ideal do destilado, e há várias maneiras de otimizar ainda mais a tecnologia para torná-la mais produtiva e eficiente”.

Nanopartículas

A nova tecnologia do NEWT baseia-se em uma pesquisa do laboratório de Halas para criar nanopartículas engenheiradas que coletam tanto quanto 80% da luz solar para gerar vapor. Ao adicionar nanopartículas de baixo custo e comercialmente disponíveis a uma membrana porosa, o NEWT transformou essencialmente a própria membrana em um elemento de aquecimento assimétrico que, por sua vez, aquece a água para conduzir a destilação por membrana.

“A integração das capabilidades de aquecimento fototérmico em uma membrana de tratamento de água para a dessalinização direta a energia solar, abre novas oportunidades no tratamento de água”, disse Menachem “Meny” Elimelech, da Universidade de Yale, co-autor do novo estudo e pesquisador principal do NEWT para processos de membrana.

No estudo publicado no PNAS, os pesquisadores ofereceram resultados de prova de conceito com base em testes com uma câmara NESMD do tamanho de três selos postais e apenas alguns milímetros de espessura. A membrana de destilação na câmara continha uma camada superior especialmente projetada de nanopartículas de negro de fumo infundidas em um polímero poroso. As nanopartículas que captam a luz aqueceram toda a superfície da membrana quando expostas à luz solar. Uma fina camada de água salgada de meio milímetro de espessura fluiu sobre a camada de negro de fumo, e uma corrente de água doce fresca fluiu abaixo.

Li, a líder das bancadas de teste de tratamento avançado do NEWT na Rice, disse que a taxa de produção de água aumentou bastante ao se concentrar a luz solar. “A intensidade aumentou 17,5 quilowatts por metro quadrado quando uma lente foi usada para concentrar a luz solar por 25 vezes, e a produção de água aumentou para cerca de 6 litros por metro quadrado por hora”.

 

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A: destilação por membrana convencional e B: a tecnologia NESMD

Sistema modular

Li disse que a equipe de pesquisa do NEWT já fez um sistema muito maior que contém um painel com cerca de 70 centímetros por 25 centímetros. Em última análise, ela disse, a NEWT espera produzir um sistema modular onde os usuários possam solicitar quantos painéis forem necessários com base em suas demandas diárias de água.

“Você poderia montá-los juntos, assim como você faria com os painéis em uma fazenda solar”, disse ela. “Dependendo da taxa de produção de água que você precisa, você poderia calcular a quantidade de área de membrana que você precisaria. Por exemplo, se você precisar de 20 litros por hora, e os painéis produzem 6 litros por hora por metro quadrado, você pediria um pouco mais de 3 metros quadrados de painéis “.

 

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A: esquema do sistema NESMD e B: sistema NESMD montado

 

Sobre

Fundada pela National Science Foundation (NSF) em 2015, o NEWT pretende desenvolver sistemas de tratamento de água compactos, móveis e off-grid que possam fornecer água limpa a milhões de pessoas que não têm acesso e tornar a produção de energia nos EUA mais sustentável e econômica. O NEWT, que deverá alavancar mais de 40 milhões de dólares em apoio federal e industrial na próxima década, é o primeiro Centro de Pesquisa em Engenharia (ERC, de Engineering Research Center) da NSF em Houston e apenas o terceiro no Texas, uma vez que a NSF iniciou o programa ERC em 1985. O NEWT concentra-se em aplicações de resposta humanitária de emergência, sistemas de água rural e tratamento de efluentes e reúso em locais remotos, incluindo plataformas de perfuração onshore e offshore para exploração de petróleo e gás.

 

 

Li é professora da Rice de engenharia civil e ambiental, engenharia química e biomolecular, e ciência dos materiais e nanoengenharia. Halas é professora da Rice de engenharia elétrica e de informática, química, bioengenharia, física e astronomia, e ciência dos materiais e nanoengenharia. Elimelech é professor de Yale de Engenharia Ambiental e Química.

Outros co-autores do estudo são Pratiksha Dongare, Alessandro Alabastri, Seth Pedersen, Katherine Zodrow, Nathaniel Hogan, Oara Neumann, Jinjian Wu, Tianxiao Wang e Peter Nordlander, todos da Rice e Akshay Deshmukh da Universidade de Yale.

Fonte: Rice University, adaptado por Portal Tratamento de Água – www.tratamentodeagua.com.br

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