Cercetătorii de la Universitatea din Rochester au dezvoltat o tehnologie de desalinizare alimentată cu energie solară, capabilă să transforme apa de mare în apă dulce fără să producă saramură lichidă, unul dintre principalele deșeuri ale instalațiilor convenționale. Sistemul folosește suprafețe metalice tratate cu lasere ultrarapide pentru a evapora apa și a separa sărurile sub formă solidă.
Într-o lume în care accesul la apă potabilă devine o provocare tot mai mare, oceanele reprezintă o rezervă uriașă de apă care, cel puțin teoretic, ar putea contribui la satisfacerea nevoilor unei populații în creștere. Problema este că transformarea apei sărate în apă dulce presupune consum de energie, infrastructură costisitoare și, în cazul tehnologiilor actuale, producerea unor reziduuri care pot afecta mediul marin.
O echipă de cercetători de la Universitatea din Rochester, Statele Unite, propune o abordare diferită. Folosind suprafețe metalice modificate cu ajutorul laserelor și energia soarelui, oamenii de știință au construit un sistem care produce apă dulce și transformă aproape toate sărurile rămase în solide ce pot fi colectate.
Mai mult decât atât, cercetătorii au demonstrat că o versiune a acestei tehnologii poate extrage litiu din apa sărată, un element esențial pentru fabricarea bateriilor moderne.
O suprafața metalică neagră care folosește lumina Soarelui pentru desalinizare
Inovația se bazează pe un material aparent simplu: un metal negru, a cărui suprafață a fost modificată cu ajutorul unor impulsuri laser extrem de scurte, de ordinul femtosecundelor. O femtosecundă reprezintă a milioana parte dintr-o miliardime de secundă, iar precizia acestor impulsuri permite modificarea structurii microscopice a metalului.
Tratamentul îi conferă două proprietăți esențiale. Prima este capacitatea de a absorbi aproape întreaga radiație solară incidentă, transformând energia luminii în căldură. A doua este o proprietate numită super-wicking, care poate fi tradusă prin capacitate superioară de absorbție și transport capilar al apei.
Practic, în loc să formeze picături pe suprafață, apa se întinde rapid într-un strat foarte subțire, fiind transportată chiar și în sus, de-a lungul panoului. Când lumina solară încălzește acest strat, apa se evaporă, iar sărurile și mineralele dizolvate rămân în urmă. Vaporii pot fi ulterior condensați și colectați sub formă de apă dulce.
Dar adevărata provocare nu este evaporarea apei. Este împiedicarea acumulării sărurilor pe suprafața materialului.
Efectul inelului de cafea împiedică blocarea instalației
În sistemele convenționale de desalinizare, acumularea mineralelor poate deveni o problemă majoră. Pe măsură ce apa se evaporă, sărurile cristalizează și formează depuneri care blochează circulația apei, reducând eficiența instalației.
Problema este și mai dificilă atunci când se utilizează apă de mare reală, care conține nu doar clorură de sodiu, ci și compuși ai calciului și magneziului. Aceștia pot forma structuri compacte, greu de dizolvat și îndepărtat.
Pentru a evita acest fenomen, echipa condusă de profesorul Chunlei Guo a proiectat canale microscopice în suprafața metalului, care dirijează cristalele de sare departe de regiunea activă. Mecanismul folosește un fenomen fizic cunoscut drept efectul inelului de cafea (coffee ring effect).
Atunci când o picătură de cafea se usucă, particulele solide sunt transportate către marginea acesteia, unde se acumulează și formează un inel vizibil. În mod asemănător, sistemul de desalinizare deplasează sărurile către marginile panoului, în zone numite regiuni pasive. Astfel, suprafața pe care are loc evaporarea rămâne funcțională, în timp ce mineralele se acumulează în alte zone, de unde pot fi recuperate.
Cercetătorii au testat tehnologia folosind apă de mare provenită din oceanele Pacific, Atlantic și Indian. Experimentele au demonstrat că suprafața se poate autocurăța, iar acumularea sărurilor în regiunile pasive nu a redus eficiența desalinizării.
Într-un experiment desfășurat timp de o săptămână, sistemul a obținut o rată medie de evaporare de aproximativ 1,76 kilograme de apă pe metru pătrat pe oră, în condiții de iluminare solară standardizată. Eficiența conversiei energiei solare în vapori a fost de aproximativ 74%, iar recuperarea sărurilor a ajuns la aproape 100%.
De la deșeu problematic la sursă de minerale valoroase
Unul dintre cele mai interesante aspecte ale tehnologiei este că reziduurile procesului nu mai trebuie să fie tratate exclusiv ca deșeuri. Instalațiile convenționale de desalinizare produc saramură concentrată, care este adesea evacuată în mediul marin. Aceasta poate modifica salinitatea locală și poate reduce concentrația oxigenului dizolvat, afectând organismele acvatice.
În noul sistem, aproape toate sărurile dizolvate sunt recuperate în stare solidă, eliminând evacuarea saramurii lichide în cadrul procesului experimental. În funcție de compoziție și de metodele ulterioare de separare, unele dintre aceste materiale ar putea fi valorificate industrial.
Un mineral deosebit de interesant este litiul, utilizat pe scară largă în bateriile litiu-ion care alimentează automobile electrice, telefoane și laptopuri.
Într-un studiu conex, publicat în Journal of Materials Chemistry A, cercetătorii au modificat suprafața metalică prin încorporarea unor nanoparticule de titanat de hidrogen, capabile să separe selectiv litiul din amestecul de săruri. Folosind probe provenite din Great Salt Lake, echipa a reușit să recupereze aproximativ 50% din litiul prezent în sărurile rezultate în urma desalinizării.
Această abordare ar putea deschide o direcție interesantă pentru recuperarea materiilor prime din surse acvatice, reducând dependența de metodele tradiționale de extracție a litiului.
Poate deveni desalinizarea solară o soluție pentru criza globală a apei?
Potențialul tehnologiei este considerabil, mai ales într-un context în care aproximativ 2,2 miliarde de oameni nu au acces la servicii de apă potabilă gestionate în condiții de siguranță, potrivit estimărilor Organizației Națiunilor Unite citate de cercetători. Desalinizarea este deja utilizată în numeroase regiuni aride, însă extinderea instalațiilor convenționale presupune costuri energetice și de infrastructură, precum și gestionarea reziduurilor saline.
Un sistem care utilizează direct energia solară, nu necesită aditivi chimici pentru pretratarea apei și recuperează sărurile în stare solidă ar putea reduce o parte dintre aceste constrângeri.
Totuși, este important să facem distincția între o demonstrație experimentală și o tehnologie pregătită pentru utilizare la scară industrială. Dispozitivele dezvoltate de echipa de la Rochester sunt încă la stadiul de demonstrație a conceptului, iar producția de apă și recuperarea mineralelor trebuie evaluate în instalații mult mai mari.
Rămân de clarificat aspecte precum costul fabricării panourilor, durabilitatea lor în exploatare îndelungată, eficiența în condiții meteorologice variabile și costurile separării ulterioare a mineralelor.
Studiul, publicat în revista Light: Science & Applications, sugerează însă o posibilă schimbare de perspectivă: în loc să privim desalinizarea doar ca pe un proces de obținere a apei dulci, am putea-o transforma într-un sistem integrat de producere a apei și recuperare a resurselor. Dacă această abordare va putea fi extinsă economic, oceanele ar putea deveni nu doar o sursă suplimentară de apă potabilă, ci și o sursă complementară de materii prime pentru tehnologiile moderne.
Sursa: Science Daily