El enfoque de la Universidad de Rice para purificar el agua salada con luz solar y nanopartículas es aún más eficiente de lo que sus creadores creían.
Los investigadores del Laboratorio de Nanofotónica de Rice (LANP) demostraron esta semana que podían aumentar la eficiencia de su sistema de desalinización alimentado por energía solar en más de un 50% simplemente añadiendo lentes de plástico de bajo costo para concentrar la luz solar en «puntos calientes». Los resultados están disponibles en línea en las Actas de la Academia Nacional de Ciencias.
«La forma típica de aumentar el rendimiento de los sistemas accionados por energía solar es añadir concentradores solares y traer más luz», dijo Pratiksha Dongare, estudiante de postgrado en física aplicada de la Escuela de Ingeniería Brown de Rice y co-líder de la ponencia. «La gran diferencia aquí es que estamos usando la misma cantidad de luz. Hemos demostrado que es posible redistribuir esa energía a bajo costo y aumentar drásticamente la tasa de producción de agua purificada».
En la destilación por membrana convencional, el agua caliente y salada fluye a través de un lado de una membrana en forma de lámina mientras que el agua fría y filtrada fluye a través del otro. La diferencia de temperatura crea una diferencia en la presión de vapor que conduce el vapor de agua desde el lado calentado a través de la membrana hacia el lado más frío y de menor presión. La ampliación de la tecnología es difícil porque la diferencia de temperatura a través de la membrana, y la producción resultante de agua limpia, disminuye a medida que aumenta el tamaño de la membrana. La tecnología de «destilación de membrana solar por nanofotónica» (NESMD) de Rice aborda este problema mediante el uso de nanopartículas que absorben la luz para convertir la propia membrana en un elemento de calefacción impulsado por el sol.
Dongare y sus colegas, incluyendo al co-líder del estudio, Alessandro Alabastri, cubren la capa superior de sus membranas con nanopartículas de bajo costo disponibles comercialmente que están diseñadas para convertir más del 80% de la energía solar en calor. El calentamiento por nanopartículas impulsado por energía solar reduce los costos de producción, y los ingenieros de Rice están trabajando para ampliar la tecnología para aplicaciones en áreas remotas que no tienen acceso a la electricidad.
El concepto y las partículas utilizadas en NESMD fueron demostradas por primera vez en 2012 por la directora de LANP, Naomi Halas, y la científica investigadora Oara Neumann, ambas coautoras del nuevo estudio. En el estudio de esta semana, el físico de Halas, Dongare, Alabastri, Neumann y LANP, Peter Nordlander, encontró que podían explotar una relación no lineal inherente y previamente no reconocida entre la intensidad de la luz incidente y la presión de vapor.
Alabastri, físico y profesor asistente de investigación de Texas Instruments Research Assistant Professor en el Departamento de Ingeniería Eléctrica e Informática de Rice, utilizó un simple ejemplo matemático para describir la diferencia entre una relación lineal y no lineal. «Si tomas dos números cualesquiera que equivalgan a 10 — siete y tres, cinco y cinco, seis y cuatro — siempre obtendrás 10 si los sumas. Pero si el proceso no es lineal, puede cuadrarlas o incluso cortarlas en cubos antes de añadirlas. Así que si tenemos nueve y uno, serían nueve al cuadrado, o 81, más uno al cuadrado, lo que equivale a 82. Eso es mucho mejor que 10, que es lo mejor que puedes hacer con una relación lineal».
En el caso de NESMD, la mejora no lineal proviene de la concentración de la luz solar en pequeños puntos, como lo haría un niño con una lupa en un día soleado. Concentrar la luz en un punto minúsculo de la membrana resulta en un aumento lineal del calor, pero el calentamiento, a su vez, produce un aumento no lineal de la presión de vapor. Y el aumento de la presión fuerza más vapor purificado a través de la membrana en menos tiempo.
«Hemos demostrado que siempre es mejor tener más fotones en un área más pequeña que tener una distribución homogénea de fotones a través de toda la membrana», dijo Alabastri.
Halas, químico e ingeniero que lleva más de 25 años siendo pionero en el uso de nanomateriales activados por luz, dijo: «Las eficiencias que proporciona este proceso óptico no lineal son importantes porque la escasez de agua es una realidad diaria para casi la mitad de la población mundial, y la destilación solar eficiente podría cambiar eso.
«Más allá de la purificación del agua, este efecto óptico no lineal también podría mejorar las tecnologías que utilizan el calentamiento solar para impulsar procesos químicos como la fotocatálisis», dijo Halas.
Por ejemplo, LANP está desarrollando una nanopartícula basada en cobre para convertir amoníaco en combustible hidrógeno a presión ambiente.
Halas es el profesor Stanley C. Moore de Ingeniería Eléctrica e Informática, director del Instituto Smalley-Curl de Rice y profesor de química, bioingeniería, física y astronomía, y ciencias de los materiales y nanoingeniería.
NESMD está en desarrollo en el Centro para el Tratamiento de Agua Habilitado por Nanotecnología (NEWT), con sede en arroz, y obtuvo fondos de investigación y desarrollo del programa de desalinización solar del Departamento de Energía en 2018.