Nanocompuestos que desalinizan agua y producen energía

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Para muchas áreas costeras en el mundo la desalinización ha sido la tabla de salvación para su acceso al agua potable. Sin embargo, convertir el agua de mar en apta para consumo humano es un proceso que consume mucha energía y con altos costes de operación e inversión.

Desalinización con energía solar

Los dos factores principales, alto consumo energético e inversión, han sido motivo para el desarrollo de tecnologías que aprovechan la energía solar para desalinización de agua.

Por ejemplo, científicos del Instituto Tecnológico de Massachussets (MIT) diseñaron un sistema de desalinización pasivo compuesto por múltiples capas de evaporadores y condensadores solares. Los mismos están dispuestos para aprovechar no solo el calor solar, sino también el que se libera de las capas en las que ocurre la condensación del agua. Este último es aprovechado se aprovecha para evaporar agua en aquellas capas donde ocurre este cambio de fase[1].

Este dispositivo tiene potencial de trabajar de manera remota para producir agua potable de forma económica y eficiente a una tasa de 5.78 L por metro cuadrado de dispositivo[1].

Sin embargo, científicos de la Universidad Nacional de Singapur dieron un salto adelante en el aprovechamiento de la energía solar con la integración de nanotecnología. Al combinar estos dos elementos, han logrado crear un prototipo de reactor que es capaz de convertir el agua de mar en potable al mismo tiempo que se genera hidrógeno. Ambos procesos ocurren en simultáneo con la ayuda de nanocompuestos de plata, silicio, y titanio[2].

Foto: news.mit.edu

Un twist gracias a la nanotecnología

Los métodos convencionales de desalinización de agua consumen alrededor de 10 veces más energía que la obtención a partir de fuentes de agua dulce[2]. Anteriormente la destilación era la reina de la desalinización, aunque poco a poco la osmosis inversa ha ido ganando terreno en distintas partes del mundo, gracias a una mayor eficiencia de separación.

Ambas técnicas consumen una cantidad considerable de energía en forma de calor o electricidad que generalmente es de origen no renovable. A diferencia de estos dos procesos, el prototipo creado por los investigadores asiáticos emplea solo luz solar para llevar a cabo el proceso.

¿Cómo funciona?

Los científicos crearon un colector solar térmico, mostrado en la Figura 1, con nanopartículas plasmónicas dispuestas en un núcleo de Ag/SiO2 y un caparazón de TiO2 que funciona como fotocatalizador.  El prototipo diseñado por los científicos es capaz de trabajar de forma sinérgica para lograr ambos procesos de desalinización y producción de hidrógeno apuntado selectivamente a reacciones interfaciales altamente específicas.

Figura 1: Esquema del prototipo creado[3]

El estudio combina reacciones fotocatalíticas, que involucran la absorción de luz solar por parte del sustrato sobre el cual ocurre la reacción, con nanopartículas plasmónicas que son capaces de aumentar la temperatura sobre la superficie de las partículas[3].

En este proceso la capa superficial de TiO2 es un fotocatalizador que absorbe partículas de energía, o fotones del espectro UV para separar las moléculas de agua en oxígeno e hidrógeno. Los fotones que no son absorbidos por esta capa, la atraviesan hasta alcanzar el núcleo de Ag/SiO2. En el núcleo, esta absorción genera calor a nivel local, lo cual también contribuye a la generación de hidrógeno en la coraza. El proceso se muestra en la Figura 2. Al mismo tiempo, el efecto fototérmico produce vapor por debajo de la temperatura de ebullición del agua[3].

Figura 2: Esquema del mecanismo propuesto de catálisis fototérmica[2]

Abriendo puertas con tecnología sostenible

Este nuevo prototipo abre puertas a nuevos diseños para absorción de todo el espectro de luz solar por fotocatalizadores y el empleo de sus propiedades fototérmicas para alcanzar un mayor aprovechamiento de la luz solar. Los creadores del prototipo lo califican como una alternativa prometedora para mejorar la productividad energética y de agua potable sin grandes inversiones de capital e infraestructura.

Referencias

[1]    ‘Simple, solar-powered water desalination’, MIT News | Massachusetts Institute of Technology. https://news.mit.edu/2020/passive-solar-powered-water-desalination-0207 (accessed Dec. 15, 2020).

[2]     W. B. July 2016, ‘Solar-powered desalination produces energy’, Chemistry World. https://www.chemistryworld.com/news/solar-powered-desalination-produces-energy/1010102.article (accessed Dec. 14, 2020).

[3]    ‘Plasmonic photothermic solar-powered seawater catalysis and desalination’, Nanowerk. https://www.nanowerk.com/spotlight/spotid=43907.php (accessed Dec. 15, 2020).