El enfoque de la Universidad de Rice con energía solar para purificar el agua salada con luz solar y nanopartículas es aún más eficiente de lo que sus creadores creyeron por primera vez.
Investigadores del Laboratorio de Nanofotónica de Rice LANP de esta semana mostraron que podrían aumentar la eficiencia de su sistema de desalinización con energía solar en más del 50% simplemente agregando lentes de plástico de bajo costo para concentrar la luz solar en "puntos calientes". Los resultados están disponiblesen línea en el Actas de la Academia Nacional de Ciencias .
"La forma típica de aumentar el rendimiento en los sistemas impulsados por energía solar es agregar concentradores solares y aportar más luz", dijo Pratiksha Dongare, una estudiante graduada en física aplicada en la Escuela de Ingeniería Brown de Rice y coautora del artículo."La gran diferencia aquí es que estamos usando la misma cantidad de luz. Hemos demostrado que es posible redistribuir de forma económica ese poder y aumentar drásticamente la tasa de producción de agua purificada".
En la destilación de membrana convencional, el agua caliente y salada fluye a través de un lado de una membrana laminar, 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 impulsa el vapor de agua desde el lado calentado a través de la membranahacia el lado más frío y de baja 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 "destilación de membrana solar habilitada con nanofotónica de Rice""La tecnología NESMD aborda esto mediante el uso de nanopartículas que absorben la luz para convertir la membrana en un elemento de calentamiento impulsado por el sol".
Dongare y sus colegas, incluido el coautor del estudio, Alessandro Alabastri, cubren la capa superior de sus membranas con nanopartículas de bajo costo y disponibles comercialmente, diseñadas para convertir más del 80% de la energía solar en calor.la calefacción 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 se demostraron por primera vez en 2012 por el director de LANP, Naomi Halas, y el científico de investigación Oara Neumann, ambos coautores del nuevo estudio. En el estudio de esta semana, Halas, Dongare, Alabastri, Neumann y LANPEl físico Peter Nordlander descubrió 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 en el Departamento de Ingeniería Eléctrica e Informática de Rice, usó un ejemplo matemático simple para describir la diferencia entre una relación lineal y no lineal ". Si toma dos números iguales a 10 - sietey tres, cinco y cinco, seis y cuatro, siempre obtendrás 10 si los sumas. Pero si el proceso no es lineal, puedes cuadrarlos o incluso ponerlos en cubos antes de sumar. Entonces, si tenemos nueve y uno, esosería nueve al cuadrado, o 81, más un cuadrado, lo que equivale a 82. Eso es mucho mejor que 10, que es lo mejor que puede hacer con una relación lineal ".
En el caso de NESMD, la mejora no lineal proviene de concentrar la luz solar en pequeños puntos, como lo haría un niño con una lupa en un día soleado. Concentrar la luz en un pequeño punto de la membrana produce 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 obliga a que el vapor más purificado atraviese la membrana en menos tiempo.
"Mostramos que siempre es mejor tener más fotones en un área más pequeña que tener una distribución homogénea de fotones en toda la membrana", dijo Alabastri.
Halas, un químico e ingeniero que lleva más de 25 años siendo pionero en el uso de nanomateriales activados por la luz, dijo: "Las eficiencias proporcionadas por este proceso óptico no lineal son importantes porque la escasez de agua es una realidad diaria para aproximadamente la mitad de las personas del mundo, 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 a base de cobre para convertir el amoníaco en combustible de 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 ciencia de los materiales y nanoingeniería.
NESMD está en desarrollo en el Centro de Tratamiento de Agua Habilitado por Nanotecnología NEWT con sede en Rice y ganó fondos de investigación y desarrollo del programa de Desalinización Solar del Departamento de Energía en 2018.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Rice . Original escrito por Jade Boyd. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
Referencia del diario :
Cite esta página :