Estanques de evaporación, que se utilizan comúnmente en muchas industrias para gestionar las aguas residuales, puede abarcar acres, ocupando una gran huella y, a menudo, presenta riesgos para las aves y otros animales salvajes. Sin embargo, son una forma económica de tratar el agua contaminada porque aprovechan la evaporación natural bajo la luz solar para reducir grandes volúmenes de agua sucia a volúmenes mucho más pequeños de desechos sólidos.

Ahora, los investigadores del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley del Departamento de Energía (Berkeley Lab) han demostrado una forma de duplicar la tasa de evaporación utilizando energía solar y aprovechando las propiedades inherentes del agua. El estudio, dirigido por los científicos de Berkeley Lab, Akanksha Menon y Ravi Prasher, se informa hoy en la revista Sostenibilidad de la naturaleza .

Los estanques de evaporación se utilizan en las centrales eléctricas, plantas de desalinización, en la industria del petróleo y el gas, y también para extracción de litio, en el que se bombea salmuera rica en litio en vastas, estanques de sal artificiales. Son comunes en China, Australia, Europa, el medio Oriente, y partes de los Estados Unidos donde el clima es adecuado (árido o semiárido con mucho sol), y estos estanques pueden tener el tamaño de cientos de campos de fútbol, con muchos de ellos sentados uno al lado del otro.

"Este es un gran problema social que estamos tratando de resolver. Eliminar las aguas residuales o extraer una sal valiosa como el litio, le gustaría aumentar la tasa de evaporación de forma espectacular y escalable, "dijo Prasher, un experto en energía térmica que también se desempeña como director asociado de Berkeley Lab para el Área de Tecnologías Energéticas. "Si pudiéramos hacerlo, que podrían reducir su impacto ambiental al reducir la cantidad de tierra requerida ".

Para maximizar la recuperación de agua de las aguas residuales industriales y la salmuera de desalinización, ha habido un impulso para lograr una "descarga de líquido cero" para que el residuo final sea un sólido. El proceso implica una serie de pasos de tratamiento, y el último paso suele ser un estanque de evaporación. Menon, becario postdoctoral de Berkeley Lab, señala que se han propuesto muchas ideas para utilizar la energía solar para acelerar la tasa de evaporación.

"Se han publicado varios artículos en los últimos cinco años, ", dijo." La mayoría involucran estructuras que absorben la luz solar que flotan en la superficie del agua, como una esponja negra, para localizar el calor, ya que la evaporación es un fenómeno de superficie ".

Desafortunadamente, estas estructuras porosas tienden a obstruirse con los mismos contaminantes que están tratando de separar. "Así que con el tiempo, el rendimiento de los absorbentes flotantes cae drásticamente, ", Dijo Menon." A veces, las sales se atascan en la superficie y reflejan la luz solar en lugar de absorberla ".

Transformando la longitud de onda de la luz solar

Los investigadores del laboratorio de Berkeley buscaron una solución que pudiera evitar tales problemas. "Nos dimos cuenta de que si nos fijamos en las propiedades del agua, tiene una absorción muy fuerte en el rango de longitud de onda del infrarrojo medio, "Dijo Menon." Si iluminas el agua con luz infrarroja media, lo absorberá con tanta fuerza que retiene todo ese calor en una capa muy fina ".

El equipo decidió construir un dispositivo que comparan con un "transformador de radiación, "que toma energía de la luz solar en el rango de 400 a 1, 500 nanómetros y lo convierte en 3, 000 nanómetros o más, que está en el rango del infrarrojo medio.

Los científicos del laboratorio de Berkeley demostraron el concepto en el laboratorio utilizando una solución saturada de sal de mesa. En su experimento, su dispositivo prototipo mejoró la tasa de evaporación en más de un 100% sobre la evaporación natural. Añaden que existe el potencial de aumentar la evaporación en un 160% optimizando el diseño térmico.

Su dispositivo fototérmico, una hoja plana que absorbe selectivamente energía solar en un lado y emite energía del infrarrojo medio en el otro, se encuentra sobre el agua en un estanque de evaporación como un paraguas. "Un sitio puede tener una serie de estos paraguas solares, probablemente sentado en los postes de la tienda, alrededor de un pie más o menos por encima del agua, "dijo Menon.

Los investigadores señalaron que tales paraguas solares también podrían desempeñar un papel en las plantas de desalinización, que están surgiendo como una solución para la creciente demanda de agua en todo el mundo, pero la eliminación del subproducto, la salmuera concentrada, sigue siendo un problema. Berkeley Lab lidera la Alianza Nacional para la Innovación del Agua (NAWI), que fue galardonado con el Centro de Desalinización de Agua y Energía de $ 100 millones por el DOE a principios de este año.

"Si va a realizar una desalinización a gran escala, uno de los mayores desafíos es cómo crear tecnologías escalables, ", Dijo Prasher." Esta es potencialmente una tecnología de descarga de líquido cero altamente escalable, que no requiere energía porque se basa en energía solar ".

Prasher dijo que el equipo ahora quiere seguir dos direcciones. La primera es hacer un análisis tecnoeconómico tanto para la extracción de litio como para la descarga de líquido cero para las plantas de desalinización para comprender mejor los costos. El segundo es considerar fabricar el dispositivo con un polímero u otro material para reducir aún más el costo.