A nova técnica de purificação de água envolve enrolar uma folha de papel carbono em um "V" de cabeça para baixo. As bordas inferiores do papel absorvem água, enquanto o revestimento de carbono absorve a energia solar e a transforma em calor para evaporação. Crédito:Huaxiu Chen
A ideia de usar a energia do sol para evaporar e purificar a água é antiga. O filósofo grego Aristóteles descreveu tal processo em mais de 2, 000 anos atrás.
Agora, pesquisadores estão trazendo essa tecnologia para a era moderna, usando-o para higienizar a água em taxas que eles relatam ser recordes.
Drapeado em preto, papel mergulhado em carbono em uma forma triangular e usando-o para absorver e vaporizar água, eles desenvolveram um método para usar a luz solar para gerar água limpa com eficiência quase perfeita.
"Nossa técnica é capaz de produzir água potável em um ritmo mais rápido do que teoricamente calculado sob a luz solar natural, "diz o pesquisador-chefe Qiaoqiang Gan, PhD, professor associado de engenharia elétrica na Escola de Engenharia e Ciências Aplicadas da Universidade de Buffalo.
Como Gan explica, "Usualmente, quando a energia solar é usada para evaporar a água, parte da energia é desperdiçada à medida que o calor é perdido para o ambiente circundante. Isso torna o processo menos de 100 por cento eficiente. Nosso sistema tem uma maneira de extrair calor do ambiente circundante, permitindo-nos alcançar uma eficiência quase perfeita. "
A tecnologia de baixo custo pode fornecer água potável em regiões onde os recursos são escassos, ou onde desastres naturais aconteceram. Os avanços são descritos em estudo publicado no dia 3 de maio na revista. Ciência Avançada .
Um componente central da nova tecnologia é uma folha de papel carbono dobrada em um "V" de cabeça para baixo. A geometria inclinada do papel o mantém fresco, enfraquecendo a intensidade da luz que o ilumina. (Uma superfície plana seria atingida diretamente pelo sol.) Este romance, a arquitetura inclinada ajudou a acelerar a geração de vapor e água em experimentos. Crédito:Youhai Liu
O projeto, financiado pela National Science Foundation (NSF), foi uma colaboração entre UB, Universidade Fudan na China e Universidade de Wisconsin-Madison. Haomin Song, graduado em engenharia elétrica pela UB, e o candidato ao doutorado Youhai Liu foram os primeiros autores do estudo.
Gan, Song e outros colegas lançaram uma startup, Água Limpa Ensolarada, para levar a invenção às pessoas que dela precisam. Com o apoio do programa NSF Small Business Innovation Research, a empresa está integrando o novo sistema de evaporação em um protótipo de um destilador solar, um purificador de água movido a energia solar.
"Quando você fala com funcionários do governo ou organizações sem fins lucrativos que trabalham em zonas de desastre, eles querem saber:'Quanta água você pode gerar todos os dias?' Temos uma estratégia para impulsionar o desempenho diário, "Song diz." Com um destilador solar do tamanho de um frigobar, estimamos que podemos gerar de 10 a 20 litros de água limpa todos os dias. "
Modernizando uma tecnologia milenar
As destilarias solares já existem há muito tempo. Esses dispositivos usam o calor do sol para evaporar a água, deixando sal, bactérias e sujeira por trás. Então, o vapor de água esfria e retorna ao estado líquido, em que ponto é coletado em um recipiente limpo.
A técnica tem muitas vantagens. É simples, e a fonte de energia - o sol - está disponível em quase todos os lugares. Mas infelizmente, mesmo os modelos mais recentes de destilarias solares são um tanto ineficientes na vaporização de água.
Da esquerda para a direita:Pesquisadores Qiaoqiang Gan, Zongmin Bei and Haomin Song were among the authors of the new study in Advanced Science. The three engineers and their colleagues are working to bring the solar still to people who need it through their startup company, Sunny Clean Water. Credit:Douglas Levere/University at Buffalo
Gan's team addressed this challenge through a neat, counterintuitive trick:They increased the efficiency of their evaporation system by cooling it down.
A central component of their technology is a sheet of carbon-dipped paper that is folded into an upside-down "V" shape, like the roof of a birdhouse. The bottom edges of the paper hang in a pool of water, soaking up the fluid like a napkin. Ao mesmo tempo, the carbon coating absorbs solar energy and transforms it into heat for evaporation.
As Gan explains, the paper's sloped geometry keeps it cool by weakening the intensity of the sunlight illuminating it. (A flat surface would be hit directly by the sun's rays.) Because most of the carbon-coated paper stays under room temperature, it can draw in heat from the surrounding area, compensating for the regular loss of solar energy that occurs during the vaporization process.
Using this set-up, researchers evaporated the equivalent of 2.2 liters of water per hour for every square meter of area illuminated by the regular sun, higher than the theoretical upper limit of 1.68 liters, according to the new study. The team conducted its tests in the lab, using a solar simulator to generate light at the intensity of one regular sun.
"Most groups working on solar evaporation technologies are trying to develop advanced materials, such as metallic plasmonic and carbon-based nanomaterials, " Gan says. "We focused on using extremely low-cost materials and were still able to realize record-breaking performance.
"Importantly, this is the only example I know of where the thermal efficiency of the solar evaporation process is 100 percent when you consider solar energy input. By developing a technique where the vapor is below ambient temperature, we create new research possibilities for exploring alternatives to high-temperature steam generation."
