Segundo as Nações Unidas, 2,2 mil milhões de pessoas ainda não têm acesso a água potável. Para satisfazer a procura crescente, muitas regiões, desde a Califórnia até partes do Médio Oriente, dependem de centrais de dessalinização que transformam a água do mar em água doce.
Os métodos tradicionais de dessalinização, como osmose reversa e destilação térmica, podem ser caros e consumir muita energia. Muitas vezes requerem tratamento químico antes e depois do tratamento da água e criam grandes volumes de água salgada concentrada conhecida como salmoura. Quando devolvida ao oceano, a salmoura pode danificar os ecossistemas marinhos, aumentando a salinidade e reduzindo os níveis de oxigénio.
Pesquisadores da Universidade de Rochester desenvolveram uma nova abordagem que pode resolver alguns desses problemas. Seu sistema de dessalinização movido a energia solar produz água doce com eficiência, opera sem pré-tratamento químico e evita a criação de resíduos de salmoura. O estudo foi liderado por Chunlei Guo, professor de óptica e física e pesquisador sênior do Laboratório de Energia Laser da universidade. A equipe descreveu a tecnologia em um jornal Luz: Ciência e Aplicações.
Painéis solares tratados a laser conduzem o processo
O sistema depende de painéis solares especialmente projetados, feitos de metal preto texturizado por lasers de femtossegundos. Este tratamento confere à superfície duas propriedades importantes. Absorve quase toda a luz solar que entra e é altamente atraente para a água, uma característica conhecida como superumidade.
A área ativa com padrão de laser pinta uma fina camada de água do mar no painel. Quando a luz solar é absorvida, a água evapora e se transforma em água doce. Ao mesmo tempo, sais e minerais dissolvidos são retirados da área ativa e depositados em áreas não tratadas do painel, chamadas áreas passivas.
Ao afastar os sais da zona de evaporação, o projeto evita acúmulos que poderiam interferir na operação contínua.
Usando o efeito de anel de café para evitar entupimento
Guo observa que várias tecnologias de dessalinização térmica solar mostraram resultados promissores em estudos de laboratório utilizando água do mar simplificada, que consiste apenas em água e cloreto de sódio.
Nestes experimentos, os cristais de cloreto de sódio formam uma estrutura solta e porosa à medida que a água evapora. A água pode continuar a fluir através desses cristais, dissolvendo-os e tornando os sistemas relativamente fáceis de limpar.
A água do mar real é muito mais complexa.
Além do cloreto de sódio, os oceanos contêm muitos outros minerais dissolvidos. Materiais que contêm magnésio e cálcio geralmente formam crostas duras e densas quando cristalizam. Esses depósitos podem bloquear o fluxo de água e eventualmente interromper o processo de dessalinização.
O problema é semelhante à incrustação mineral que se acumula dentro de uma chaleira ou obstrui um chuveiro com o tempo, exceto que a água do mar contém concentrações muito mais altas de sais dissolvidos.
Para superar esse problema, a equipe de Rochester projetou cuidadosamente ranhuras microscópicas na superfície do metal preto. O padrão incentiva os sais e minerais a se afastarem da área ativa antes que possam se acumular.
Os pesquisadores também aproveitaram um fenômeno físico familiar conhecido como efeito do anel de café.
“Se você deixar cair café na superfície, a água acabará por evaporar, deixando um anel na borda externa que contém partículas de café concentradas”, diz Guo. “Usamos o mesmo princípio para empurrar os sais para a região passiva.”
Quando a equipe testou a tecnologia usando amostras de água coletadas nos oceanos Pacífico, Atlântico e Índico, a superfície foi efetivamente limpa. A água doce era extraída continuamente, enquanto os sais eram direcionados para áreas passivas onde poderiam ser coletados posteriormente sem reduzir a produtividade.
Recuperar minerais valiosos em vez de criar resíduos
Uma das vantagens mais significativas do sistema é o que acontece com o sal restante.
A dessalinização tradicional produz uma salmoura líquida que deve ser tratada, descartada ou liberada no meio ambiente. Em vez disso, o novo processo recupera quase todos os sais dissolvidos na forma sólida.
Esses materiais extraídos podem se tornar recursos valiosos. Além de produzir sal de cozinha, o processo pode ajudar a extrair minerais importantes como o lítio, um ingrediente-chave nas baterias de íon-lítio usadas em veículos elétricos e em muitos produtos eletrônicos de consumo.
Em um estudo relacionado publicado em Revista de Química de Materiais AGuo e seus colegas demonstraram que os mesmos painéis solares ultraúmidos também podem separar o lítio de outros sais.
Para conseguir isso, os pesquisadores incorporaram nanopartículas de titanato de hidrogênio nas ranhuras microscópicas da superfície do metal negro. Estas partículas isolam seletivamente o lítio de outros minerais dissolvidos.
“Extrair lítio da Terra provou ser muito difícil do ponto de vista energético e ambiental, portanto extrair lítio diretamente da água salgada pode ser um caminho muito importante no futuro”, diz Guo.
Usando água do Grande Lago Salgado, em Utah, a equipe recuperou com sucesso cerca de 50% do lítio contido nos sais que sobraram da dessalinização.
Potencial para produção de água doce em grande escala
Embora a tecnologia até agora só tenha sido demonstrada em dispositivos de prova de conceito, Guo acredita que a abordagem pode ser ampliada significativamente.
Se for ampliado com sucesso, o sistema poderá ajudar a aumentar o acesso à água potável, bem como criar fontes mais sustentáveis de minerais importantes.
A pesquisa foi apoiada pela National Science Foundation, pela Fundação Bill & Melinda Gates e pela Rede Mundial de Universidades. Contribuintes adicionais do Instituto de Óptica incluíram o pesquisador sênior Subash Singh, o estudante de pós-graduação Ran Wei ’24 (PhD), os estudantes de pós-graduação Luheng Tang e Taingshu Xu e Mingjiang Ma.
