Dispositivo de dessalinização solar coreano atinge 3,4 litros por hora sem eletricidade

Um destilador solar ultrarrapido da Coreia

Uma equipa de investigação do Instituto Nacional de Ciência e Tecnologia de Ulsan (UNIST), na Coreia do Sul, desenvolveu um dispositivo de dessalinização movido a energia solar que regista uma taxa de evaporação de 3,4 litros por metro quadrado por hora sob um sol. O protótipo converte água do mar em água potável sem qualquer eletricidade externa, utilizando a luz solar e uma avançada material fototérmica designada La0.7Sr0.3MnO3. O dispositivo resolve também um dos problemas mais difíceis da dessalinização solar: a acumulação de sal na superfície do evaporador, que bloqueia a luz e condiciona o desempenho. Ao desviar o sal dissolvido do centro quente para as bordas, o sistema mantém o funcionamento durante períodos prolongados, produzindo vapor de água limpo que pode ser condensado em líquido.

O trabalho, liderado pela Professora Ji Hyun Jang, da Escola de Energia e Engenharia Química do UNIST, e publicado na Advanced Energy Materials, combina uma estrutura simples de capilaridade em papel com uma superfície fototérmica de alta eficiência. Nos testes de durabilidade, o dispositivo funcionou de forma estável durante duas semanas em salmouras com 20 por cento de conteúdo de sal, muito acima da salinidade típica da água do mar, de 3,5 por cento. A equipa afirma que o mesmo desenho pode suportar a recuperação de recursos, incluindo a cristalização e a recolha de sal nas bordas, em vez de descarregar salmoura concentrada de volta para o oceano.

O interesse pela dessalinização solar passiva está a aumentar à medida que mais regiões enfrentam stress hídrico. Milhões de pessoas não têm acesso regular a água potável devidamente gerida, e as comunidades costeiras dependem frequentemente de estações de osmose inversa movidas a diesel, caras de operar e que produzem grandes volumes de salmoura. Um sistema modular que produza água doce utilizando apenas a luz solar, com pouca manutenção e sem energia da rede, poderia preencher lacunas críticas para aldeias remotas, ilhas, quintas e operações de socorro em desastres. O dispositivo do UNIST visa precisamente essa necessidade, trocando infraestruturas de grande capacidade por materiais simples, geometria inteligente e luz solar.

Como funciona o dispositivo

O desenho do UNIST utiliza um evaporador distintivo em forma de L invertido, construído em torno de papel absorvente de água. O papel funciona como papel de tornasol e puxa a água do mar para cima por ação capilar. No topo da secção vertical situa-se uma camada fototérmica absorvente de luz feita de La0.7Sr0.3MnO3, um óxido perovskite que converte a luz solar incidente em calor com alta eficiência. Quando a água do mar atinge esta superfície quente, evapora rapidamente e deixa o sal para trás. O vapor de água viaja depois para uma superfície mais fria, onde se condensa e é recolhido como água doce líquida.

Uma característica-chave é a direção do fluxo. A equipa concebeu um movimento unidirecional do fluido através da superfície quente que cria um gradiente de concentração de sal. Os iões dissolvidos migram para zonas de menor atividade da água, junto às bordas, e cristalizam como sal sólido onde não bloqueiam a luz. Este efeito de autolimpeza mantém a zona fototérmica central exposta à luz solar, capturando ao mesmo tempo o sal nas margens para remoção ou reutilização. A geometria e o percurso do fluido fazem o trabalho principal, reduzendo a necessidade de bombas, membranas ou limpezas manuais frequentes.

Porque é que o material La0.7Sr0.3MnO3 se destaca

No coração do dispositivo está o La0.7Sr0.3MnO3, frequentemente abreviado por LSMO. Trata-se de um óxido perovskite, uma classe de materiais conhecida pelas suas propriedades óticas e elétricas ajustáveis. Ao contrário dos perovskites de halogeneto de chumbo comuns nas células solares, o LSMO contém lantânio, estrôncio e manganês e não depende de chumbo volátil ou tóxico. Isso torna-o atrativo para aplicações de água onde a estabilidade e a segurança ambientais são essenciais.

O LSMO destaca-se como conversor fototérmico devido à forma como lida com os portadores de carga excitados sob a luz solar. Em termos simples, o material forma estados de captura na sua estrutura eletrónica. Quando a luz liberta eletrões para estados de energia mais elevados, muitos recombinam sem emitir libertando a sua energia diretamente como calor. Esta via não radiativa, frequentemente designada por térmica, transforma uma elevada fração da energia solar incidente em calor localizado na superfície. A libertação eficiente de calor eleva rapidamente a temperatura e provoca uma evaporação mais rápida para uma dada quantidade de luz solar.

Enfrentar o problema do sal

A deposição de sal tem travado a dessalinização solar durante muito tempo. À medida que a água evapora, os sais dissolvidos concentram-se e acabam por cristalizar na superfície quente. Os cristais dispersam a luz e bloqueiam a transferência de calor, pelo que as taxas de evaporação caem acentuadamente. Muitos sistemas anteriores funcionavam bem durante horas, mas depois necessitavam de limpeza ou tinham de pausar para expulsar os sais. A equipa do UNIST aborda este desafio com geometria e fluxo controlado, em vez de revestimentos complexos ou peças móveis.

A forma de L invertido e o fluxo unidirecional geram um gradiente constante de sal que empurra os iões para longe da zona mais quente e iluminada. Os cristais nucleiam-se e crescem nas bordas, onde são fáceis de recolher. Em testes de laboratório, o dispositivo continuou a funcionar durante duas semanas mesmo em soluções muito salinas com 20 por cento de sais dissolvidos totais. Esse nível é típico das salmouras descarregadas por processos industriais e muito superior à água de mar aberto, o que indica uma margem considerável para operação em água do mar real e possível uso na concentração de salmoura e recuperação de recursos.

Números de desempenho em contexto

A taxa de evaporação registada é de 3,40 quilogramas por metro quadrado por hora sob um sol. Um sol refere-se à luz solar padrão de ensaio, de cerca de um quilowatt por metro quadrado. Muitos destiladores solares passivos produzem em torno de 0,3 a 0,4 quilogramas por metro quadrado por hora em ensaios semelhantes, pelo que o protótipo do UNIST funciona oito a dez vezes mais depressa. Na prática, a produção diária de água depende da luz solar local ao longo de todo o dia e da eficiência do condensador que reconverte o vapor em líquido. Sob sol forte durante várias horas, um módulo de um metro quadrado à taxa registada poderia produzir na ordem de algumas dezenas de litros por dia. Arranjos de múltiplos módulos poderiam escalar esse valor.

Vale a pena distinguir a taxa de evaporação da água potável entregue. O número de laboratório mede quanta massa sai da superfície quente como vapor a cada hora. Os sistemas reais têm de captar e condensar quase todo esse vapor num reservatório limpo, minimizando ao mesmo tempo a perda de calor. Uma boa conceção de condensador, isolamento térmico e a reutilização do calor latente podem aproximar a produção total do sistema da taxa do evaporador. A equipa do UNIST aponta também o comportamento antideposição do dispositivo como um contribuinte central para uma produção constante, uma vez que uma superfície fototérmica limpa mantém tanto a absorção de luz como a geração de calor ao longo do tempo.

Comparação com a dessalinização convencional

A osmose inversa domina a dessalinização moderna. Força a água do mar através de membranas finas a alta pressão, produzindo grandes volumes de água doce para cidades e indústria. Esse desempenho tem contrapartidas. A osmose inversa consome vários quilowatt-hora de eletricidade por metro cúbico de água produzida, requer pré-tratamento para proteger as membranas e descarrega salmoura concentrada que tem de ser gerida de forma responsável. As unidades são intensivas em capital e estão geralmente ligadas à rede ou a fontes de energia dedicadas.

Um evaporador solar passivo como o desenho do UNIST dispensa pressão, bombas e elevada procura elétrica. Produz menos água por unidade de tempo e área, mas pode operar fora da rede, silenciosamente e com manutenção mais simples. A capacidade de direcionar a cristalização do sal para as bordas também reduz o volume de salmoura. Em climas adequados, um campo de evaporadores modulares poderia fornecer água potável a alojamentos, clínicas ou quintas, enquanto instalações maiores poderiam suportar necessidades à escala da comunidade. Para as cidades, a evaporação solar é mais provável que complemente do que substitua as unidades de grande capacidade, servindo como uma rede de segurança resiliente ou como solução para bairros remotos no limite da rede.

Casos de utilização e vias de implementação

O dispositivo destina-se a contextos onde a energia da rede é limitada e as equipas de manutenção são escassas. Comunidades insulares, aldeias piscatórias e quintas costeiras correspondem a esse perfil. O mesmo se aplica a operações humanitárias após tempestades, terramotos ou conflitos onde a infraestrutura de água falha. O conceito da equipa é modular, pelo que pode ser implementado como painéis individuais para pequenas necessidades ou como agrupamentos para procura mais elevada. O baixo ruído e a ausência de equipamento de alta pressão também tornam-no adequado para escolas e clínicas onde a fiabilidade e a segurança são importantes.

Como o desenho canaliza o sal para as margens, o sistema pode também funcionar como ferramenta de recuperação de recursos. Em vez de descarregar salmoura líquida concentrada, os operadores podem recolher sal seco e outros minerais cristalizados. Isso pode reduzir o impacto ambiental e criar pequenas fontes de receita. A equipa sugeriu versões futuras que combinem muitos evaporadores em forma de L invertido em módulos maiores, um caminho para uma instalação e manutenção mais simples no terreno.

Escalabilidade e desafios de engenharia

Passar de protótipos de laboratório a equipamento de campo exige atenção cuidadosa a materiais, fabrico e gestão térmica. O pavio de papel do evaporador tem de resistir a meses de ciclos molhado-seco, biofouling de organismos marinhos e exposição aos raios ultravioleta. A superfície fototérmica tem de manter a sua absorção de luz e conversão de calor com degradação mínima. O LSMO é um perovskite óxido com boa estabilidade térmica, o que é útil. Os métodos de produção serão determinantes para o custo. Técnicas que revestem grandes áreas uniformemente a baixa temperatura podem reduzir despesas e melhorar a repetibilidade.

A condensação e a recuperação de calor são centrais para a eficiência do sistema. Cada quilograma de vapor transporta uma grande quantidade de calor latente. Desenhos que condensam o vapor em superfícies que partilham calor com a água do mar de entrada podem reciclar essa energia e aumentar a produção total. As carcaças devem minimizar as perdas de calor e o escape de vapor, mantendo-se fáceis de limpar. Poeira, respingo e cristais de sal têm de ser geridos com rotinas de limpeza simples. Os testes de durabilidade da equipa em salinidade muito elevada são encorajadores, mas ensaios de vários meses em ambientes costeiros ajudarão a comprovar a robustez a longo prazo e as necessidades de manutenção. Parcerias com organizações de ajuda e utilidades locais podem apoiar esses ensaios e orientar escolhas de desenho para diferentes climas.

Considerações climáticas e de sustentabilidade

A dessalinização solar oferece claras vantagens climáticas para locais fora da rede. Substitui eletricidade por luz solar e evita o consumo de combustível e as emissões dos geradores diesel. Os impactos ao longo do ciclo de vida continuam a importar, desde a origem do lantânio e do estrôncio até à fabricação dos absorvedores e carcaças. Utilizar materiais duráveis e uma montagem simples pode estender a vida útil e distribuir o carbono incorporado por muitos anos de serviço. A ausência de bombas de alta pressão reduz tanto o consumo de energia como o ruído acústico, o que beneficia as comunidades costeiras e a fauna selvagem.

Os fluxos de resíduos diferem dos das unidades convencionais. Ao cristalizar o sal nas bordas, a abordagem do UNIST pode reduzir as descargas de salmoura concentrada nas águas costeiras. Sempre que possível, o sal recolhido pode ser reutilizado em processos industriais ou devolvido em segurança a salinas. Isto alinha-se com os esforços para tornar a dessalinização mais compatível com os ecossistemas marinhos e com os objetivos de água limta e saneamento sob os objetivos globais de desenvolvimento. À medida que as alterações climáticas intensificam as secas e as ondas de calor, ferramentas práticas que transformam a abundante água do mar em água potável segura com energia mínima farão parte de muitos planos locais de adaptação.

O que deve saber

• Investigadores do UNIST criaram um dispositivo de dessalinização solar sem eletricidade que regista 3,40 quilogramas por metro quadrado por hora sob um sol.
• O desenho utiliza um pavio de papel e uma geometria em forma de L invertido para levar a água do mar a uma superfície fototérmica.
• A camada fototérmica é La0.7Sr0.3MnO3, um óxido perovskite que converte a luz solar em calor através de recombinação não radiativa.
• O sal é empurrado para as bordas por um padrão de fluxo unidirecional, reduzindo a deposição e o bloqueio da luz no centro quente.
• Testes de durabilidade demonstraram funcionamento estável durante duas semanas em soluções com 20 por cento de sal, acima da água do mar normal.
• Os destiladores solares passivos típicos produzem 0,3 a 0,4 quilogramas por metro quadrado por hora, pelo que a taxa registada é cerca de oito a dez vezes superior.
• O conceito favorece a colheita de sal e reduz as descargas de salmoura líquida em comparação com muitas abordagens convencionais.
• Arranjos de módulos poderiam fornecer água fora da rede para aldeias, clínicas, ilhas e operações de socorro em desastres.
• A investigação é publicada na Advanced Energy Materials e é liderada pela Professora Ji Hyun Jang, com a autora principal Dr. Saurav Chaule.
• Ensaios de campo, conceção de condensadores e fabrico escalável determinarão os rendimentos e custos no mundo real.