El enfoque de energía solar de la Universidad de Rice para purificar el agua salada con luz solar y nanopartículas es incluso más eficiente de lo que sus creadores creyeron en un principio.

Los investigadores del Laboratorio de Nanofotónica de Rice (LANP) demostraron esta semana que podían 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 disponibles en línea en procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias .

"La forma típica de mejorar el rendimiento en los sistemas impulsados ​​por energía solar es agregar concentradores solares y traer más luz, "dijo Pratiksha Dongare, estudiante de posgrado en física aplicada en Rice's Brown School of Engineering y coautor principal del artículo. "La gran diferencia aquí es que estamos usando la misma cantidad de luz. Hemos demostrado que es posible redistribuir esa energía de forma económica y aumentar drásticamente la tasa de producción de agua purificada".

En la destilación por membrana convencional, caliente, El agua salada fluye a través de un lado de una membrana en forma de lámina mientras está fría, el agua 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 membrana hacia el enfriador, lado de menor 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 tecnología de "destilación de membrana solar habilitada por nanofotónica" de Rice (NESMD) aborda este problema mediante el uso de nanopartículas que absorben la luz para convertir la propia membrana en un elemento de calentamiento impulsado por la energía solar.

Dongare y colegas, incluido el coautor principal del estudio, Alessandro Alabastri, cubrir la capa superior de sus membranas con bajo costo, Nanopartículas disponibles comercialmente que están diseñadas para convertir más del 80% de la energía solar en calor. El calentamiento de nanopartículas impulsado por energía solar 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 fueron demostradas por primera vez en 2012 por la directora de LANP, Naomi Halas, y el científico investigador Oara Neumann. que son ambos coautores del nuevo estudio. En el estudio de esta semana, Halas, Dongare, Alabastri, Neumann y el físico de LANP Peter Nordlander descubrieron que podían explotar una relación no lineal inherente y no reconocida previamente entre la intensidad de la luz incidente y la presión de vapor.

Alabastri, un 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 que sean iguales a 10, siete y tres, cinco y cinco, seis y cuatro:siempre obtendrá 10 si los suma. Pero si el proceso no es lineal, puede cuadrarlos o incluso cortarlos en cubos antes de agregarlos. Entonces, si tenemos nueve y uno, eso sería nueve al cuadrado, o 81, más uno al cuadrado, que es igual 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 la concentración de la luz solar en puntos diminutos, como lo haría un niño con una lupa en un día soleado. Concentrar la luz en un punto diminuto de la membrana da como resultado un aumento lineal de calor, pero la calefacción, Sucesivamente, produce un aumento no lineal de la presión de vapor. Y el aumento de presión fuerza más vapor purificado a través de la membrana en menos tiempo.

“Demostramos 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 ha pasado más de 25 años siendo pionero en el uso de nanomateriales activados por luz, dijo, "Las eficiencias que proporciona este proceso óptico no lineal son importantes porque la escasez de agua es una realidad diaria para aproximadamente la mitad de la población mundial, 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 amoníaco en combustible de hidrógeno a presión ambiental.

Halas es profesor de Ingeniería Eléctrica e Informática Stanley C.Moore, director del Instituto Smalley-Curl de Rice y profesor de química, bioingeniería, física y astronomía, y ciencia de materiales y nanoingeniería.

NESMD está en desarrollo en el Centro de Tratamiento de Agua Habilitado por Nanotecnología (NEWT) con base en arroz y obtuvo fondos para investigación y desarrollo del programa de Desalinización Solar del Departamento de Energía en 2018.