Em todo o mundo, milhares de milhões de pessoas ainda não têm acesso confiável à água potável. As Nações Unidas estimam que 2,2 mil milhões de pessoas não têm acesso a água potável, enquanto regiões da Califórnia ao Médio Oriente dependem cada vez mais de centrais de dessalinização para converter a água do mar em água doce.
A dessalinização pode fornecer abastecimento de água vital, mas os métodos mais comuns atuais apresentam desvantagens significativas. A osmose reversa força a água através de membranas especiais para remover o sal, enquanto a destilação térmica utiliza calor para separar a água doce da água do mar. Ambas as abordagens podem consumir grandes quantidades de energia, muitas vezes requerem tratamento de água antes e depois do processo e geram resíduos salgados altamente concentrados, conhecidos como salmoura.
Quando essa água salgada é devolvida ao oceano, pode aumentar a salinidade local e reduzir os níveis de oxigénio, criando condições prejudiciais para os organismos marinhos.
Alternativa movida a energia solar à dessalinização tradicional
Pesquisadores da Universidade de Rochester desenvolveram uma abordagem diferente que poderia ajudar a resolver vários problemas ao mesmo tempo.
Cientistas do Instituto de Óptica de Eurochester criaram um sistema de dessalinização térmica solar projetado para produzir água doce de forma eficiente, sem produzir salmoura líquida ou exigir aditivos químicos para pré-tratar a água que entra. O método é descrito em um artigo publicado em Luz: Ciência e Aplicações.
A pesquisa foi liderada por Chunlei Guo, professor de óptica e física e cientista sênior do Laboratório de Energética Laser de Eurochester.
No centro da tecnologia estão os painéis solares feitos de metal preto tratado com laser de femtosegundo. Um femtossegundo é uma unidade de tempo extremamente pequena, igual a um quarto de segundo. Os pulsos desses lasers ultrarrápidos podem alterar com precisão a superfície de um material, criando estruturas microscópicas que alteram drasticamente as interações com a luz e a água.
O tratamento a laser torna o metal extremamente eficaz na absorção da luz solar e também lhe confere propriedades de superabsorção, o que significa que a água se difunde pela superfície mais rapidamente, em vez de absorvê-la.
Como funciona uma superfície autolimpante?
Cada painel possui uma área ativa tratada a laser que desenha uma camada muito fina de água do mar em sua superfície. O metal preto absorve quase toda a radiação solar recebida, fazendo com que a água aqueça e evapore.
Essa evaporação deixa para trás sal e outros minerais dissolvidos. Em vez de permitir que esses materiais se acumulem onde ocorre a evaporação, o painel os direciona para áreas não tratadas em suas bordas, conhecidas como zonas passivas.
Este movimento é importante porque o acúmulo de sal é um dos maiores desafios enfrentados pelos sistemas de dessalinização solar. Se os minerais formarem uma camada dura na superfície ativa, eles podem bloquear o movimento da água e, eventualmente, impedir o funcionamento do sistema.
Por que é mais difícil dessalinizar a água do mar real?
Guo diz que os sistemas anteriores de dessalinização solar térmica muitas vezes tiveram um bom desempenho em experimentos de laboratório usando água do mar artificial simplificada feita de água e cloreto de sódio.
Quando o cloreto de sódio cristaliza à medida que a água evapora, ele forma uma estrutura relativamente granular e porosa. A água pode continuar a se mover através desses cristais, ajudando a dissolver o sal depositado e facilitando a limpeza da superfície.
A água do mar real é muito mais complexa.
Além do cloreto de sódio, contém magnésio, cálcio e muitas outras substâncias dissolvidas. Alguns desses compostos podem cristalizar em depósitos duros e densos que são muito menos porosos.
Isso é semelhante à incrustação mineral que se acumula lentamente no interior de um chuveiro ou bule de chá. Nos sistemas de dessalinização, contudo, o desafio é muito maior porque a água do mar contém centenas de vezes mais sais dissolvidos do que a água normal da torneira.
À medida que esses depósitos se acumulam, a água não consegue mais fluir livremente pela superfície, reduzindo a eficiência e eventualmente obstruindo o sistema.
Usando o efeito do anel de café para mover o sal
Para superar esse problema, a equipe de Guo projetou cuidadosamente ranhuras microscópicas no metal negro para afastar os sais e minerais da zona ativa, em vez de formar uma camada teimosa.
Os pesquisadores também aproveitaram um fenômeno físico familiar chamado efeito anel de café.
Qualquer pessoa que derramou café e o viu secar provavelmente já viu. À medida que a água evapora, as partículas suspensas movem-se em direção à borda da gota, deixando para trás um anel escuro.
“Se você derramar café em uma superfície, eventualmente a água evapora e fica um anel na borda externa, que são partículas concentradas de café”, diz Guo. “Usamos o mesmo princípio para avançar os sais para a zona passiva.”
Em vez de permitir que os minerais se acumulem onde a luz solar provoca a evaporação, o sistema os direciona para as bordas do painel.
Os pesquisadores testaram a técnica usando água do mar real coletada nos oceanos Pacífico, Atlântico e Índico. Nessas experiências, a superfície limpou-se eficazmente enquanto produzia água doce, enviando os sais restantes para uma zona passiva onde poderiam ser posteriormente recolhidos.
É importante ressaltar que o acúmulo de minerais não reduziu a eficiência de dessalinização dos painéis.
Dessalinização Convertendo Resíduos em Materiais Úteis
A segunda grande vantagem é o que acontece com o sal depois que a água é retirada.
Em vez de produzir salmoura líquida concentrada que deve ser tratada ou descarregada, o sistema remove quase 100% do sal dissolvido na forma sólida.
Esse material poderia potencialmente tornar-se um recurso em vez de um resíduo. Parte dele pode ser usada como sal de cozinha, enquanto minerais mais valiosos também podem ser recuperados.
Um alvo particularmente importante é o lítio, um material fundamental utilizado em baterias de iões de lítio que alimentam veículos eléctricos, smartphones, computadores portáteis e muitos outros dispositivos electrónicos.
Em um estudo relacionado publicado em Revista de Química de Materiais AGuo e seus colegas demonstraram que os mesmos painéis solares superwicking poderiam ser modificados para separar o lítio de outros sais produzidos durante a dessalinização.
Os pesquisadores incorporaram nanopartículas feitas de titanato de hidrogênio em ranhuras microscópicas do metal negro. Eles separam seletivamente o lítio de uma mistura de sais e minerais particulados.
“A mineração de lítio da Terra tem se mostrado muito difícil do ponto de vista energético e ambiental, portanto, extrair lítio diretamente da água salgada pode ser um caminho futuro muito importante”, diz Guo.
Recuperando Lítio da Água Salgada
Usando amostras do Grande Lago Salgado, a equipe conseguiu recuperar cerca de 50% do lítio contido no sal que sobrou após a dessalinização.
Este resultado aponta para um futuro possível em que as instalações de dessalinização poderão fazer mais do que apenas produzir água potável. Eles também podem recuperar materiais comercialmente valiosos que, de outra forma, permaneceriam presos em fluxos de resíduos.
A tecnologia ainda está em seus estágios iniciais. Até agora, os pesquisadores demonstraram a abordagem de dessalinização por superwicking em experimentos de prova de conceito usando equipamentos relativamente pequenos.
Guo diz que o projeto básico é inerentemente escalável e poderia, em última análise, contribuir para aumentar o acesso à água doce e criar fontes mais sustentáveis de minerais valiosos.
Se for ampliada com sucesso, esta abordagem poderá resolver dois grandes desafios ao mesmo tempo: produzir mais água doce para uma população global crescente, ao mesmo tempo que reduz a carga ambiental associada tanto aos resíduos da dessalinização como à extracção mineral.
A pesquisa foi apoiada pela National Science Foundation, pela Bill & Melinda Gates Foundation e pela Worldwide University Network. Os colegas de Guo no Instituto de Óptica que contribuíram para a pesquisa incluem o cientista sênior Subash Singh, o ex-aluno Ran Wei ’24 (PhD), os estudantes de doutorado Luheng Tang e Tenshu Xu e Mingxiang Ma.
