p Concentrar a luz do sol em pontos minúsculos na membrana geradora de calor explora uma relação não linear inerente e anteriormente não reconhecida entre o aquecimento fototérmico e a pressão de vapor. Crédito:Pratiksha Dongare / Rice University
p A abordagem movida a energia solar da Rice University para purificar a água salgada com luz solar e nanopartículas é ainda mais eficiente do que seus criadores inicialmente acreditaram. p Pesquisadores do Laboratório de Nanofotônica de Rice (LANP) mostraram nesta semana que poderiam aumentar a eficiência de seu sistema de dessalinização movido a energia solar em mais de 50% simplesmente adicionando lentes de plástico baratas para concentrar a luz solar em "pontos quentes". Os resultados estão disponíveis online no
Proceedings of the National Academy of Sciences .
p "A maneira típica de aumentar o desempenho em sistemas movidos a energia solar é adicionar concentradores solares e trazer mais luz, "disse Pratiksha Dongare, um estudante de pós-graduação em física aplicada na Brown School of Engineering de Rice e co-autor principal do artigo. "A grande diferença aqui é que estamos usando a mesma quantidade de luz. Mostramos que é possível redistribuir essa energia de maneira econômica e aumentar drasticamente a taxa de produção de água purificada."
p Na destilação por membrana convencional, quente, água salgada flui através de um lado de uma membrana em forma de folha enquanto fria, a água filtrada flui através do outro. A diferença de temperatura cria uma diferença na pressão de vapor que impulsiona o vapor de água do lado aquecido através da membrana em direção ao refrigerador, lado de baixa pressão. Aumentar a escala da tecnologia é difícil porque a diferença de temperatura na membrana - e a saída de água limpa resultante - diminui à medida que o tamanho da membrana aumenta. A tecnologia de "destilação por membrana solar com nanofotônica" (NESMD) de Rice aborda isso usando nanopartículas de absorção de luz para transformar a própria membrana em um elemento de aquecimento movido a energia solar.
p Pesquisadores da Rice University (a partir da esquerda) Pratiksha Dongare, Alessandro Alabastri e Oara Neumann mostraram que o sistema de 'destilação por membrana solar com nanofotônica' (NESMD) de Rice era mais eficiente quando o tamanho do dispositivo era aumentado e a luz era concentrada em 'pontos quentes'. Crédito:Jeff Fitlow / Rice University
p Dongare e colegas, incluindo o co-autor do estudo Alessandro Alabastri, revestir a camada superior de suas membranas com baixo custo, nanopartículas disponíveis comercialmente que são projetadas para converter mais de 80% da energia solar em calor. O aquecimento de nanopartículas movido a energia solar reduz os custos de produção, e os engenheiros da Rice estão trabalhando para expandir a tecnologia para aplicações em áreas remotas que não têm acesso à eletricidade.
p O conceito e as partículas usadas no NESMD foram demonstrados pela primeira vez em 2012 pela diretora do LANP Naomi Halas e pela cientista pesquisadora Oara Neumann, que são ambos co-autores do novo estudo. No estudo desta semana, Halas, Dongare, Alabastri, Neumann e o físico do LANP, Peter Nordlander, descobriram que poderiam explorar uma relação não linear inerente e anteriormente não reconhecida entre a intensidade da luz incidente e a pressão do vapor.
p Alabastri, um físico e professor assistente de pesquisa da Texas Instruments no Departamento de Engenharia Elétrica e de Computação de Rice, usou um exemplo matemático simples para descrever a diferença entre uma relação linear e não linear. "Se você pegar quaisquer dois números iguais a 10 - sete e três, cinco e cinco, seis e quatro - você sempre obterá 10 se somar os dois. Mas se o processo for não linear, você pode quadrá-los ou até mesmo colocá-los em cubos antes de adicioná-los. Então, se temos nove e um, isso seria nove ao quadrado, ou 81, mais um ao quadrado, que é igual a 82. Isso é muito melhor do que 10, que é o melhor que você pode fazer com um relacionamento linear. "
p No caso do NESMD, a melhoria não linear vem da concentração da luz solar em pequenos pontos, muito parecido com o que uma criança faria com uma lupa em um dia ensolarado. Concentrar a luz em um ponto minúsculo na membrana resulta em um aumento linear no calor, mas o aquecimento, por sua vez, produz um aumento não linear na pressão de vapor. E o aumento da pressão força o vapor mais purificado através da membrana em menos tempo.
p Pesquisadores do Laboratório de Nanofotônica da Rice University descobriram que poderiam aumentar a eficiência de seu sistema de dessalinização movido a energia solar em mais de 50%, adicionando lentes de plástico baratas para concentrar a luz solar em "pontos quentes". . Crédito:Pratiksha Dongare / Rice University
p "Mostramos que é sempre melhor ter mais fótons em uma área menor do que ter uma distribuição homogênea de fótons por toda a membrana, "Disse Alabastri.
p Halas, um químico e engenheiro que passou mais de 25 anos sendo pioneiro no uso de nanomateriais ativados por luz, disse, "As eficiências fornecidas por este processo óptico não linear são importantes porque a escassez de água é uma realidade diária para cerca de metade da população mundial, e uma destilação solar eficiente pode mudar isso.
p "Além da purificação da água, este efeito óptico não linear também pode melhorar as tecnologias que usam aquecimento solar para conduzir processos químicos como fotocatálise, "Halas disse.
p Por exemplo, A LANP está desenvolvendo uma nanopartícula à base de cobre para converter amônia em combustível de hidrogênio à pressão ambiente.
p Halas é o Professor Stanley C. Moore de Engenharia Elétrica e de Computação, diretor do Instituto Smalley-Curl de Rice e professor de química, Bioengenharia, física e astronomia, e ciência de materiais e nanoengenharia.
p O NESMD está em desenvolvimento no Centro de Tratamento de Água Habilitado por Nanotecnologia (NEWT) baseado em arroz e ganhou financiamento para pesquisa e desenvolvimento do programa de dessalinização solar do Departamento de Energia em 2018.
