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Pesquisadores do MIT desenvolvem sistema de dessalinização da água com eficiência de até 385%

Engenharia 360
por Daniel Arruda
| 17/02/2020 5 min

Pesquisadores do MIT desenvolvem sistema de dessalinização da água com eficiência de até 385%

por Daniel Arruda | 17/02/2020
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A escassez de água potável em algumas regiões do globo tem se tornado um problema mundial, uma vez que mais de um terço da população do planeta é afetada pela crise de abastecimento. Dessa forma, várias são as técnicas usadas para combater ou minimizar o problema de abastecimento: evaporação instantânea em vários estágios, destilação instantânea, dessalinização da água por osmose reversa, etc.

Entretanto tais tecnologias requerem uma infraestrutura bem desenvolvida e rede elétrica estável – condições nem sempre disponíveis em muitos países em desenvolvimento.

Assim, o mais atraente para essas regiões com abundância de luz solar e água do mar seria a adoção de sistemas solares passivos de dessalinização, uma vez que contam com simples configuração e operação não conectada, isto é, isolada da rede elétrica (Off-grid). Porém o alto custo da produção de água e a baixa eficiência do sistema (aproximadamente 35% de energia solar é convertida em água) tem limitado sua adoção… até agora.

Recentemente, pesquisadores do MIT e da Universidade de Shangai Jiao Tong desenvolveram um sistema solar completamente passivo que consegue providenciar mais de 1.5 galões de água potável por hora a cada metro quadrado de energia solar coletada – uma eficiência de conversão de energia solar em energia de evaporação de 385%.

O sistema TMSS

Os sistema desenvolvido pelo time é conhecido como TMSS (Thermally-localizes Multistage Solar Still) e usa múltiplas camadas de evaporadores e condensadores em forma de painéis parecidos com aqueles usados em destilar licor, alinhados em uma matriz vertical e cobertos com uma camada transparente de aerogel de sílica para isolação.

Funciona a partir da combinação da interface de aquecimento solar e da entalpia de vaporização da água, que é reciclada através de uma arquitetura de capilares alimentados em vários estágios.

Imagem mostra a estrutura da primeira placa do sistema solar passivo de dessalinização de água desenvolvido pelo MIT junto com Chineses
Imagem mostra a estrutura da primeira placa do TMSS. A primeira camada exposta ao sol consiste num isolador térmico feito de aerogel de sílica tranparente, um absorvedor solar, tiras de poliéster e um condensador, os quais estão alinhados na direção dos raios luminosos (Fig. 1a). Fonte: Cortesia de Lenan Zhang, Lin Zhao, Zhenyuan Xu, Evelyn Wang, et. al

Por dentro do processo

  1. O absorvedor solar da primeira placa, pressionado entre a camada de aerogel de sílica transparente e as tiras de poliéster, converte a energia solar em calor. O aerogel de sílica suprime as perdas de calor do absorvedor graças a sua condutividade térmica ultra baixa e alta opacidade infravermelha.
  2. O calor é transferido do absorvedor para as tiras de poliéster – presas do outro lado da placa. As tiras de poliéster conduzem a salmoura por capilaridade e essa é evaporada devido a alta temperatura. Em seguida, o vapor de água viaja através de lacuna de ar entre o evaporador e o condensador, liberando entalpia (energia) durante o caminho.
  3. Já limpa, a água é coletada nos condensadores, enquanto a energia térmica é liberada de um estágio para outro, permitindo a evaporação da salmoura da próxima camada.

Assim, a energia térmica liberada da condensação da água de um estágio é usada no próximo para evaporar a água, permitindo a reciclagem da energia no TMSS.

Imagem mostra o fluxo da energia térmica ao longo das placas do dessalinizador de água
Imagem mostra o conceito do TMSS. Com exceção da primeira camada, todas as demais são compostas de tiras de poliéster e um condensador – separados por uma lacuna de ar (Fig. 1b). O condensador da última camada é inserido na salmoura para manter sua temperatura próxima a temperatura ambiente. Dessa forma, garante uma alta pressão de vapor ao longo de cada estágio do processo. Fonte: Cortesia de Lenan Zhang, Lin Zhao, Zhenyuan Xu, Evelyn Wang, et. al

Diferenciais do sistema

O segredo para o sucesso do sistema reside em três particularidades que otimizam o calor e a massa transportada:

  • Primeiro, o jeito que ele aproveita as múltiplas camadas para dessalinizar a água. A cada estágio, o calor liberado pelo estágio anterior é aproveitado ao invés de desperdiçado. “Quando você condensa água, você libera energia” afirma Evelyn Wang, professora de engenharia mecânica e chefe do departamento de engenharia do MIT. “Se você tem mais de um estágio, você pode tirar vantagem desse calor”.
  • Segundo, diferente dos coletores de calor solar convencionais nos quais a performance reside em isoladores térmicos e absorvedores solares na mesma interface, a arquitetura do TMSS divide essas funcionalidades onde a absorção solar ocorre no lado frontal enquanto a interface de aquecimento e evaporação ocorre no outro lado. Tal design permite mais flexibilidade e economia de materiais, uma vez que é possível usar qualquer absorvedor solar sem capacidade de isolamento térmico disponível no mercado.
  • Por último, as camadas verticalmente alinhadas com inclinação angular ajustável reduz as perdas de calor marginais promovidas pelas insignificantes áreas de contato do evaporador e a salmoura, e permite a operação em diferentes posições solares.

Conclusão

Imagem de um modelo em miniatura do dessalinizador usado pelos pesquisadores do MIT para demonstração.
Imagem de um modelo em miniatura usado para demonstração.
Fonte: Cortesia de Lenan Zhang, Lin Zhao, Zhenyuan Xu, Evelyn Wang, et. al

Dessa forma, o time demonstrou que o sistema consegue alcançar uma eficiência total de 385% na conversão de energia do sol em energia da evaporação da água.

Adicionar mais estágios aumenta a eficiência de conversão da energia térmica em energia de evaporação, porém o custo e o volume do sistema também aumentam. O time resolveu usar 10 estágios para testar o aparelho, o qual foi alocado no terraço de um prédio do MIT. O sistema entregou água pura que excedeu o padrão de água consumida na cidade, numa taxa de 5.78 litros por metro quadrado de área solar coletada. “Isso é mais do que duas vezes a quantidade recorde produzida por quaisquer sistema solar passivo de dessalinização”, diz Wang.

É importante salientar que o trabalho de Wang não somente aperfeiçoa a performance de sistemas solares passivos de dessalinização como também traz uma maior compreensão física e otimizável desses sistemas. As formulas desenvolvidas poderiam ser aplicadas para uma variedade de materiais e estruturas baseado em diferentes escalas e locais.

Perspectivas

Para melhorar a escolha de materiais e aspectos, os cientistas planejam ir além dos experimentos e testar a durabilidade do sistema em condições mais realistas. Também planejam adaptar o design do aparelho em algo que seja adequado para qualquer consumidor. A esperança é de que o sistema possa aliviar a escassez de água em regiões em desenvolvimento onde eletricidade é insuficiente; mas água do mar e luz solar, abundantes.

Fontes: Bioengineer; Journal of Energy & Environmental Science.

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Daniel de Arruda

Graduando em Engenharia Química. Um profissional em constante transformação, com perfil voltado a inovação com criatividade, olhar questionador, disruptivo e boa comunicação. Ansioso por novas experiências e com o sonho de ser reconhecido positivamente pelo meu impacto no ambiente de trabalho.

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