Lasers purificam águas não potáveis gerando uma maneira simples de lidar com a crise mundial da água
Em meio à pandemia de coronavírus, as pessoas nos países desenvolvidos têm amplo suprimento de água limpa para lavar as mãos sempre que necessário para se proteger da doença. E, no entanto, quase um terço da população mundial não tem sequer água potável para beber.
Pesquisadores da Universidade de Rochester agora encontraram uma maneira de resolver esse problema usando a luz solar – um recurso que todos podem acessar – para evaporar e purificar a água contaminada com mais de 100% de eficiência.
Como isso é possível?
Em um artigo na Nature Sustainability , os pesquisadores do laboratório de Chunlei Guo, professor de óptica, demonstram como uma explosão de pulsos de laser de femtos segundos grava a superfície de uma folha normal de alumínio em um material absorvente de super energia (absorção de água).
Quando colocada na água em um ângulo voltado para o sol, a superfície:
-Desenha uma película fina de água para cima sobre a superfície do metal
– Retém quase 100% da energia que absorve do sol para aquecer rapidamente a água
– Simultaneamente, altera as ligações inter-moleculares da água, aumentando significativamente ainda mais a eficiência do processo de evaporação.
“Essas três coisas juntas permitem que a tecnologia opere melhor do que um dispositivo ideal com 100% de eficiência”, diz Guo, que também é afiliado aos programas de Física e Ciência dos Materiais da Universidade. “Esta é uma maneira simples, durável e barata de lidar com a crise mundial da água, especialmente nos países em desenvolvimento”.
As experiências do laboratório mostram que o método reduz a presença de todos os contaminantes comuns, como detergente, corantes, urina, metais pesados e glicerina, a níveis seguros para beber.
A tecnologia também pode ser útil nos países desenvolvidos para aliviar a escassez de água em áreas atingidas pela seca e para projetos de dessalinização da água, diz Guo.
Fácil de limpar, fácil de apontar
O uso da luz solar para ferver tem sido reconhecido como uma maneira de eliminar patógenos microbianos e reduzir as mortes por infecções diarréicas.
Mas a água fervente não elimina metais pesados e outros contaminantes.
A purificação da água com base no sol, no entanto, pode reduzir bastante esses contaminantes, porque quase todas as impurezas são deixadas para trás quando a água em evaporação se torna gasosa, condensando e sendo coletada.
O método mais comum de evaporação de água com base solar é o aquecimento de volume, no qual um grande volume de água é aquecido, mas apenas a camada superior pode evaporar.
Isso é obviamente ineficiente, diz Guo, porque apenas uma pequena fração da energia de aquecimento é usada.
Uma abordagem mais eficiente, chamada aquecimento interfacial, coloca materiais flutuantes de absorção e absorção de camadas sobre a água, de modo que apenas a água próxima à superfície precise ser aquecida.
Mas todos os materiais disponíveis precisam flutuar horizontalmente em cima da água e não podem enfrentar o sol diretamente, diz Guo.
Assim, a abordagem é menos eficiente em termos de energia.
Além disso, os materiais de absorção disponíveis ficam rapidamente entupidos com os contaminantes deixados para trás após a evaporação, exigindo a substituição frequente dos materiais.
O painel desenvolvido pelo laboratório Guo evita essas ineficiências, puxando uma fina camada de água para fora do reservatório e diretamente na superfície do absorvedor solar para aquecimento e evaporação. “Além disso, como usamos uma superfície com ranhuras abertas, é muito fácil limpar simplesmente pulverizando-a”, diz Guo.
“A maior vantagem”, ele acrescenta, “é que o ângulo dos painéis pode ser continuamente ajustado para enfrentar diretamente o sol quando ele nasce e depois se mover pelo céu antes de se pôr” – maximizando a absorção de energia. “Simplesmente não havia mais nada parecido com o que podemos fazer aqui”, diz Guo.
Últimas em séries de aplicações
O projeto foi financiado pela Fundação Bill e Melinda Gates, pela National Science Foundation e pelo US Army Research Office.
“O Exército e seus combatentes funcionam com água, portanto há um interesse particular na pesquisa de materiais básicos que podem levar a tecnologias avançadas para gerar água potável”, disse Evan Runnerstrom, gerente de programa do Exército de Pesquisa, um elemento das capacidades de combate do Exército dos EUA. Laboratório de Pesquisa do Exército do Comando de Desenvolvimento. “As propriedades de super-lavagem e absorção de luz dessas superfícies de alumínio podem permitir a purificação passiva ou de baixa potência da água para sustentar melhor o guerreiro no campo”.
Além de usar a tecnologia de gravação a laser de femto-segundo para criar metais super-hidrofóbicos (repelentes à água), super-hidrofílicos (atraentes à água) e super absorventes de energia, o laboratório Guo criou estruturas metálicas que não afundam, não importa quantas vezes elas sejam forçadas a água ou quanto está danificado ou perfurado.
Antes de criar a água que atraia e repelia metais, Guo e seu assistente, Anatoliy Vorobyev, demonstraram o uso de pulsos de laser de femto-segundo para tornar quase qualquer breu metálico.
As estruturas de superfície criadas no metal foram incrivelmente eficazes na captura de radiação recebida, como a luz.
Mas eles também capturaram luz em uma ampla gama de comprimentos de onda.
Posteriormente, sua equipe usou um processo semelhante para alterar a cor de uma variedade de metais para várias cores, como azul, ouro e cinza.
As aplicações podem incluir a fabricação de filtros de cores e dispositivos espectrais ópticos, usando um único laser em uma fábrica de automóveis para produzir carros de cores diferentes; ou mesmo uma proposta com um anel de noivado de ouro que combine com a cor dos olhos azuis da sua noiva.
O laboratório também usou a técnica inicial de metal preto e colorido para criar uma variedade única de estruturas em nano e micro-escala na superfície de um filamento de tungstênio comum, permitindo que uma lâmpada brilhasse mais intensamente com o mesmo uso de energia.
Fonte da história:
Subhash C. Singh, Mohamed ElKabbash, Zilong Li, Xiaohan Li, Bhabesh Regmi, Matthew Madsen, Sohail A. Jalil, Zhibing Zhan, Jihua Zhang, Chunlei Guo. Painel de metal preto super-absorvente com rastreio solar para saneamento fototérmico da água . Sustentabilidade da Natureza , 2020; DOI: 10.1038 / s41893-020-0566-x
Universidade de Rochester. “Os lasers são uma maneira eficiente de lidar com a crise mundial da água”. ScienceDaily. ScienceDaily, 13 de julho de 2020. www.sciencedaily.com/releases/2020/07/200713154943.htm.