O nouă abordare revoluționară în domeniul desalinizării promite să transforme apa de mare în apă potabilă curată, eliminând în același timp problema reziduurilor nocive și chiar recuperând minerale valoroase precum litiul.
Cercetătorii au dezvoltat un sistem de desalinizare alimentat cu energie solară care produce apă dulce din apa de mare, capturând aproape tot sarea sub formă solidă, în loc să genereze ape reziduale saline dăunătoare. Tehnologia, care se autocurăță, ar putea de asemenea recupera minerale prețioase, cum ar fi litiul, transformând potențial deșeurile din procesul de desalinizare într-o resursă utilă.
În laboratorul profesorului Chunlei Guo de la Universitatea din Rochester, cercetătorii au creat un dispozitiv solar de desalinizare care dispune de metal negru gravat cu laser. Această tehnologie transformă apa de mare în apă dulce, capturând sărurile și mineralele, în loc să producă ape reziduale saline nocive.
La nivel mondial, miliarde de oameni încă nu au acces la apă potabilă sigură. Estimările Organizației Națiunilor Unite indică faptul că 2,2 miliarde de persoane nu dispun de apă potabilă gestionată în siguranță, în timp ce regiuni extinse, de la California la Orientul Mijlociu, depind tot mai mult de instalațiile de desalinizare pentru a transforma apa oceanică în apă dulce. Desalinizarea poate asigura o sursă critică de apă, însă metodele cele mai comune de astăzi prezintă dezavantaje semnificative. Osmosisul invers forțează apa prin membrane specializate pentru a îndepărta sarea, în timp ce distilarea termică folosește căldura pentru a separa apa dulce de apa de mare. Ambele abordări pot consuma cantități mari de energie, necesită adesea tratarea apei înainte și după proces și generează un deșeu salin extrem de concentrat, cunoscut sub denumirea de "saramură" (brine). Atunci când această saramură este deversată înapoi în ocean, poate crește salinitatea locală și reduce nivelurile de oxigen, creând condiții dăunătoare pentru organismele marine.
O Alternativă Solară la Desalinizarea Convențională
Cercetătorii de la Universitatea din Rochester au dezvoltat o abordare diferită, care ar putea contribui la soluționarea mai multor dintre aceste probleme simultan. Oamenii de știință de la Institutul de Optică al URochester au creat un sistem solar de desalinizare termică, conceput pentru a produce apă dulce eficient, fără a genera saramură lichidă sau a necesita aditivi chimici pentru pre-tratarea apei de intrare. Metoda este descrisă într-un articol publicat în Light: Science & Applications. Cercetarea a fost condusă de Chunlei Guo, profesor de optică și fizică și cercetător principal la Laboratorul de Energetică Laser a URochester.
La baza tehnologiei stau panouri solare realizate din metal negru tratat cu lasere femtosecundare. Un femtosecund este o unitate de timp extraordinar de scurtă, egală cu o cvadrilionime de secundă. Impulsurile acestor lasere ultrarapide pot modifica precis suprafața unui material, creând structuri microscopice care îi schimbă dramatic interacțiunea cu lumina și apa. Tratamentul cu laser face metalul extrem de eficient în absorbția luminii solare și îi conferă, de asemenea, proprietăți "superwicking" (de absorbție rapidă), ceea ce înseamnă că apa se răspândește rapid pe suprafață, în loc să formeze picături.
Cum Funcționează Suprafața Autocurățătoare
Fiecare panou conține o regiune activă tratată cu laser care atrage un strat foarte subțire de apă de mare pe suprafața sa. Metalul întunecat absoarbe aproape toată radiația solară incidentă, încălzind apa și provocând evaporarea acesteia. Evaporarea lasă în urmă săruri și alte minerale dizolvate. În loc să permită acestor materiale să se acumuleze acolo unde are loc evaporarea, panoul le direcționează spre zone netratate de pe laturile sale, cunoscute sub denumirea de regiunea pasivă. Această mișcare este importantă, deoarece acumularea de sare este una dintre cele mai mari provocări cu care se confruntă sistemele solare de desalinizare. Dacă mineralele formează un strat dur pe suprafața activă, acestea pot bloca mișcarea apei și, în cele din urmă, pot opri funcționarea sistemului.
De ce Apa de Mare Reală este Mult Mai Dificil de Desalinizat
Guo afirmă că sistemele anterioare de desalinizare termică solară au funcționat adesea bine în experimente de laborator folosind apă de mare artificială simplificată, compusă din apă și clorură de sodiu. Când clorura de sodiu cristalizează pe măsură ce apa se evaporă, tinde să formeze o structură relativ granuloasă și poroasă. Apa poate continua să circule prin acei cristali, ajutând la dizolvarea sării acumulate și facilitând curățarea suprafeței. Apa de mare reală este mult mai complexă. Pe lângă clorura de sodiu, conține magneziu, calciu și multe alte substanțe dizolvate. Unele dintre aceste compuși se pot cristaliza în depozite dure, dense, mult mai puțin poroase. Este similar cu depunerile de minerale care se acumulează treptat în interiorul unui cap de duș sau al unui fierbător de ceai. Într-un sistem de desalinizare, însă, provocarea este mult mai mare, deoarece apa de mare conține de sute de ori mai multe săruri dizolvate decât apa obișnuită de la robinet. Pe măsură ce aceste depozite se acumulează, apa nu mai poate curge liber pe suprafață, reducând eficiența și înfundând sistemul în cele din urmă.
Folosirea Efectului "Inelului de Cafea" pentru a Muta Sarea
Pentru a depăși această problemă, echipa lui Guo a proiectat cu atenție caneluri microscopice în metalul negru, astfel încât sărurile și mineralele să fie împinse departe de regiunea activă, în loc să formeze o crustă persistentă. Cercetătorii au valorificat, de asemenea, un fenomen fizic familiar numit "efectul inelului de cafea". Oricine a vărsat cafea și a privit-o cum se usucă a văzut probabil acest lucru. Pe măsură ce apa se evaporă, particulele suspendate se deplasează spre marginea picăturii, lăsând în urmă un inel întunecat. "Dacă vărsați cafea pe o suprafață, în cele din urmă apa se evaporă și rămâne un inel la marginea exterioară, care conține particulele concentrate de cafea", spune Guo. "Folosim același principiu pentru a avansa sărurile spre regiunea pasivă." În loc să permită acumularea de minerale acolo unde lumina solară determină evaporarea, sistemul le direcționează spre marginile panoului. Cercetătorii au testat tehnica folosind apă de mare reală colectată din oceanele Pacific, Atlantic și Indian. În aceste experimente, suprafața s-a curățat eficient singură, producând apă dulce și direcționând sărurile rămase în regiunea pasivă, de unde puteau fi colectate ulterior. Important este că această acumulare de minerale nu a redus eficiența de desalinizare a panoului.
Transformarea Deșeurilor de Desalinizare în Materiale Utile
Un alt avantaj major este ceea ce se întâmplă cu sarea după îndepărtarea apei. În loc să producă saramură lichidă concentrată care trebuie tratată sau deversată, sistemul extrage aproape 100% din sărurile dizolvate sub formă solidă. Acest material ar putea deveni o resursă, în loc de un produs rezidual. O parte din el ar putea fi folosită ca sare de masă, în timp ce minerale mai valoroase ar putea fi recuperate. Un obiectiv deosebit de important este litiul, un material cheie utilizat în bateriile litiu-ion care alimentează vehiculele electrice, smartphone-urile, laptopurile și multe alte dispozitive electronice. Într-un studiu conex, publicat în Journal of Materials Chemistry A, Guo și colegii săi au demonstrat că aceleași panouri solare "superwicking" pot fi modificate pentru a separa litiul de celelalte săruri produse în timpul desalinizării. Cercetătorii au încorporat nanoparticule realizate din titanat de hidrogen în canelurile microscopice ale metalului negru. Aceste particule izolează selectiv litiul din amestecul de săruri și minerale. "Mineritul de litiu din pământ s-a dovedit a fi foarte costisitor din punct de vedere energetic și de mediu, așa că extragerea litiului direct din apa sărată ar putea fi o rută viitoare foarte importantă", spune Guo.
Recuperarea Litiului din Apa Sărată
Folosind probe din Marea Sărată (Great Salt Lake), echipa a reușit să recupereze aproximativ 50% din litiul conținut în sărurile rămase după desalinizare. Acest rezultat sugerează un viitor posibil în care instalațiile de desalinizare ar putea face mai mult decât să producă apă potabilă. Ele ar putea, de asemenea, recupera materiale de valoare comercială care altfel ar rămâne prinse în fluxurile de deșeuri. Tehnologia este încă într-un stadiu incipient. Până acum, cercetătorii au demonstrat abordarea de desalinizare "superwicking" în experimente de tip "proof-of-concept", utilizând dispozitive relativ mici. Guo afirmă că, însă, designul de bază este scalabil în mod inerent și ar putea contribui în cele din urmă atât la extinderea accesului la apă dulce, cât și la crearea unor surse mai sustenabile de minerale valoroase. Dacă va fi scalată cu succes, abordarea ar putea aborda două provocări majore simultan: producerea mai multor apă dulce pentru o populație globală în creștere, reducând în același timp povara ecologică asociată atât cu deșeurile din desalinizare, cât și cu extracția mineralelor.