Una recente ricerca per rivoluzionare il trattamento delle acque ha prodotto una tecnologia autosufficiente che utilizza l’energia solare per trasformare l’acqua salata in acqua potabile. Il sistema di dissalazione, che utilizza una combinazione di tecnologia di distillazione a membrana e di nanofotonica leggera, è la prima innovazione importante del Centro per la Nanotecnologia Abilitato al Trattamento delle Acque (NEWT), un centro di ricerca multi-settoriale di ingegneria con sede presso la Rice University.
La tecnologia nanofotonica di distillazione dotata di membrana solare di NEWT, abbreviata in NESMD, combina metodi di trattamento dell’acqua e nanotecnologie all’avanguardia che convertono la luce del sole in calore. La tecnologia è descritta online questa settimana negli Atti dell’Accademia Nazionale delle Scienze.
Più di 18.000 impianti di dissalazione operano in 150 paesi, ma la tecnologia di dissalazione di NEWT è diversa da qualsiasi altra utilizzata oggi.
“La desalinizzazione solare diretta potrebbe cambiare tutto per circa 1 miliardo di persone che non hanno accesso all’acqua potabile”, ha affermato Qilin Li, ricercatore, esperto di trattamento dell’acqua, e autore corrispondente dello studio. “Questa tecnologia autosufficiente è in grado di fornire acqua per uso familiare occupando poco spazio e può essere scalata per fornire acqua a comunità più grandi”.
Il metodo più antico per la produzione di acqua dolce dall’acqua salata è la distillazione. L’acqua salata viene bollita e il vapore viene condensato attraverso una bobina di condensazione. La distillazione è stata utilizzata per secoli, ma necessita di infrastrutture complesse ed è inefficiente per l’energia necessaria per bollire l’acqua e produrre vapore. Più della metà dei costi di gestione di una centrale di distillazione dell’acqua sono costi energetici.
Una tecnologia emergente per la desalinizzazione è la distillazione a membrana, dove si fa scorrere l’acqua salata, calda, su un lato di una membrana porosa e l’acqua dolce, fredda, sull’altro lato della membrana. Il vapore acqueo è naturalmente attratto attraverso la membrana dal lato caldo a quello freddo e, poiché l’acqua di mare non deve essere bollita, i requisiti energetici sono inferiori a quelli della distillazione tradizionale. Tuttavia, i costi energetici sono ancora significativi perché il calore viene continuamente perso dal lato caldo della membrana a quello freddo.
“A differenza della tradizionale distillazione a membrana, NESMD è in grado di aumentare in efficienza all’aumentare delle dimensioni”, ha dichiarato Naomi Halas, un autore corrispondente della ricerca e il leader delle attività di ricerca NEWT. “Richiede energia minimale per il pompaggio per una conversione ottimale del distillato e ci sono diversi modi per ottimizzare ulteriormente la tecnologia per renderla più produttiva ed efficiente”.
La nuova tecnologia di NEWT si basa sulla ricerca nel laboratorio di Halas per creare nanoparticelle progettate per raccogliere fino all’80% della luce solare per generare vapore. Con l’aggiunta delle nanoparticelle a basso costo, commercialmente disponibili, a una membrana porosa, NEWT ha sostanzialmente trasformato la membrana in un elemento riscaldante unilaterale che da solo riscalda l’acqua per la distillazione a membrana.
“L’integrazione delle capacità di riscaldamento foto-termica all’interno di una membrana di depurazione dell’acqua per la desalinizzazione solare apre nuove opportunità nella purificazione dell’acqua”, ha affermato Menachem “Meny” Elimelech dell’Università di Yale, e co-autore del nuovo studio e ricercatore leader di NEWT per i processi a membrana.
In ultima analisi NEWT spera di produrre un sistema modulare in cui gli utilizzatori potrebbero ordinare i pannelli necessari in base alle loro esigenze quotidiane di acqua.
“Potresti assemblarli insieme, proprio come avresti i pannelli in una fattoria solare”, ha detto. “A seconda della velocità di produzione dell’acqua necessaria, potresti calcolare di quanti metri quadri di membrana avresti bisogno. Ad esempio, per 18 litri all’ora, se i pannelli producono 6 litri all’ora per metro quadro, si dovrebbero ordinare 3 metri quadrati di pannelli”.
Fondata dalla National Science Foundation nel 2015, NEWT mira a sviluppare sistemi compatti, mobili e autosufficienti che possano fornire acqua pulita a milioni di persone e rendere la produzione di energia negli Stati Uniti più sostenibile e economicamente conveniente. NEWT, che dovrebbe sfruttare più di 40 milioni di dollari dal supporto federale e industriale nel prossimo decennio, è il primo NSF Engineering Research Center (ERC) a Houston e solo il terzo in Texas dal momento che NSF ha iniziato il programma ERC nel 1985. NEWT si concentra sulle applicazioni per la risposta alle emergenze umanitarie, i sistemi idrici rurali e il trattamento e il riutilizzo delle acque reflue nei siti remoti, comprese le piattaforme di perforazione per l’esplorazione di petrolio e gas.