Una solución al creciente problema de disponibilidad de agua potable es la tecnología de generación directa de vapor solar, que puede eliminar los contaminantes solubles dañinos del agua. Crédito: Lei Miao de SIT
Los científicos revisan algunas de las investigaciones detrás de una tecnología que podría cauterizar una creciente crisis mundial de agua potable.
Una solución incipiente pero prometedora para los problemas de escasez de agua en el mundo podría ser la purificación del agua a través de la tecnología de generación directa de vapor solar. Pero si bien los investigadores están bien encaminados para hacer que esta tecnología sea prácticamente aplicable, la línea de meta está muy lejos. Un nuevo estudio en Materiales de energía solar y células solares de Elsevier nos lleva a través de una parte de este increíble viaje de investigación, que involucra estrategias de diseño de dispositivos para optimizar el proceso de generación de vapor.
Sin agua potable no hay vida. Sin embargo, casi 1.100 millones de personas en todo el mundo carecen de acceso a agua dulce y otros 2.400 millones padecen enfermedades transmitidas por el agua potable sucia. Esto se debe a que, si bien la ciencia ha producido métodos avanzados de tratamiento del agua, como la destilación por membranas y la ósmosis inversa, a menudo son difíciles de implementar en los países en desarrollo debido a su alto costo y baja productividad.
Una tecnología más incipiente se muestra prometedora como alternativa para tales regiones del mundo: la generación directa de vapor solar (DSSG). DSSG implica recolectar el calor del sol para convertir el agua en vapor, desalinándola o eliminándola de otras impurezas solubles. A continuación, el vapor se enfría y se recoge como agua limpia para su uso.
Esta es una tecnología simple, pero un paso clave, la evaporación, está presentando obstáculos para su comercialización. Con la tecnología existente, el rendimiento de la evaporación ha llegado al límite teórico. Sin embargo, esto no es suficiente para la implementación práctica. Se han tomado medidas para mejorar el diseño del dispositivo para minimizar la pérdida de calor solar antes de que llegue al agua a granel, reciclar el calor latente en el agua, absorber y utilizar la energía del entorno, etc., para mejorar el rendimiento de la evaporación más allá del límite teórico y hacer viable esta tecnología.
En un nuevo artículo publicado en Solar Energy Materials and Solar Cells, el profesor Lei Miao del Shibaura Institute of Technology, Japón, junto con sus colegas Xiaojiang Mu, Yufei Gu y Jianhua Zhou de la Universidad de Tecnología Electrónica de Guilin, China, revisan las estrategias formuladas en el últimos dos años para superar este límite teórico. “Nuestro objetivo es resumir la historia del desarrollo de nuevas estrategias de evaporación, señalar las deficiencias y desafíos actuales, y diseñar las direcciones de investigación futuras para acelerar la aplicación práctica de la tecnología de purificación DSSG”, dice el Prof. Miao.
Una estrategia pionera con la que comienza esta saga evolutiva es el sistema volumétrico, que, en lugar del calentamiento a granel, utiliza una suspensión de metales nobles o nanopartículas de carbono para absorber la energía del sol, transferir calor al agua que rodea estas partículas y generar vapor. Si bien esto aumenta la energía absorbida por el sistema, hay mucha pérdida de calor.
Para abordar este problema, se desarrolló el sistema de “tipo de contacto directo”, en el que una estructura de doble capa con poros de diferentes tamaños cubre el volumen de agua. La capa superior con poros más grandes sirve como un absorbedor de calor y una ruta de escape de vapor y la capa inferior con poros más pequeños se usa para transportar agua desde el volumen hasta la capa superior. En este sistema, el contacto entre la capa superior calentada y el agua se concentra y la pérdida de calor se reduce a aproximadamente un 15%.
Luego vino el sistema de “ruta de agua 2D” o de “tipo de contacto indirecto”, que redujo aún más la pérdida de calor al evitar el contacto entre el absorbedor de energía solar y el agua a granel. Esto allanó el camino para el eventual desarrollo del sistema «1D water path», que está inspirado en el proceso natural de transporte de agua basado en la acción capilar en las plantas. Este sistema muestra una impresionante tasa de evaporación de 4,11 kg m-2h-1, casi tres veces el límite teórico, junto con una pérdida de calor de solo el 7%.
A esto siguió la técnica de control de inyección en la que la aspersión controlada de agua en forma de lluvia sobre el absorbedor de energía solar permite su absorción de una manera que imita la del suelo. Esto da como resultado una tasa de evaporación de 2,4 kg m-2h-1 con una eficiencia de conversión del 99% de energía solar a vapor de agua.
Paralelamente, se han desarrollado estrategias para obtener energía adicional del medio ambiente o del agua a granel, y recuperar el calor latente del vapor a alta temperatura, para mejorar la tasa de evaporación. También se están desarrollando técnicas para reducir la energía requerida para la evaporación en primer lugar, como aerogeles hidratables y absorbentes de luz, esponja de poliuretano con nanopartículas de negro de humo y madera recubierta de puntos de carbono (CD) para retener la energía del sol y el agua. evaporarse.
Existen varias otras estrategias de diseño de este tipo y varias más están por venir. Quedan por abordar muchos temas relevantes, como la recolección de agua condensada, la durabilidad de los materiales y la estabilidad durante las aplicaciones al aire libre bajo condiciones climáticas y de viento fluctuantes.
Sin embargo, el ritmo al que avanza el trabajo en esta tecnología hace que sea esperable. “El camino hacia la implementación práctica de DSSG está plagado de problemas”, dice el Prof. Miao. «Pero dadas sus ventajas, existe la posibilidad de que sea una de las soluciones pioneras para nuestro creciente problema de escasez de agua potable».
Referencia: «Estrategias para romper la limitación teórica de la evaporación en la generación directa de vapor solar» por Xiaojiang Mu, Yufei Gu, Pengfei Wang, Anyun Wei, Yongzhi Tian, Jianhua Zhou, Yulian Chen, Jiahong Zhang, Zhiqiang Sun, Jing Liu, Lixian Sun, Sakae Tanemura y Lei Miao, 19 de octubre de 2020, Materiales de energía solar y células solares.
DOI: 10.1016 / j.solmat.2020.110842
Financiamiento: Programa Nacional de Investigación y Desarrollo Clave de China, Fundación de Ciencias Naturales de Guangxi de China, Programa de Investigación Científica y Desarrollo Tecnológico de Guangxi.