L’acqua dolce scarseggia gravemente: la desalinizzazione potrebbe aiutare

Una persona può vivere circa 3 minuti senza ossigeno e circa 30 giorni senza cibo, ma solo circa 3 giorni senza acqua. L’acqua copre il 71% della superficie della Terra, ma solo il 3% è l’acqua dolce necessaria per sostenere gli esseri terrestri e l’agricoltura, e gran parte di questa è compromessa dall’inquinamento. In teoria, possiamo convertire l’acqua salata in acqua dolce, ma le tradizionali tecniche di desalinizzazione sono costose e richiedono molta energia.

Ci sono due storie su nuovi sistemi di desalinizzazione che hanno fatto il giro di Internet questa settimana e che potrebbero rendere il processo più veloce e meno dispendioso in termini energetici utilizzando l’energia solare. Ricercatori cinesi affermano di utilizzare la luce solare per eliminare le impurità dall’acqua di mare, mentre un altro gruppo di scienziati del MIT e dell’Università Jiao Tong di Shanghai afferma di poter fare lo stesso, ma con un percorso diverso.

Desalinizzazione a vapore ad energia solare

Credito fotografico: Natura tramite South China Morning Post

Posta del mattino della Cina meridionale ha riferito il 28 settembre 2023 che un team di scienziati cinesi della Northeastern University nella provincia di Liaoning ha stabilito un record per la desalinizzazione dell’acqua attraverso l’evaporazione del vapore solare. Secondo il professore assistente e autore principale Yang Bo, la nuova tecnologia è “verde ed efficiente” e capace di filtrare più acqua al giorno rispetto ad altri metodi simili.

[Note: SCMP says the study was published September 13 in the journal Nature, but did not provide a link to the study. Instead, it provided a link that leads back to the source article. A diligent search on Google and on the Nature website failed to find any reference to this study. It’s possible some intrepid CleanTechnica readers will succeed where I have failed. If so, please share that information in the comments section.]

Gli scienziati hanno utilizzato una nuova polvere metallica di titanio con un’elevata capacità di assorbimento solare e l’hanno mescolata con altri materiali per creare evaporatori cilindrici. Sono stati progettati per ridurre al minimo la perdita di energia rispetto agli evaporatori piatti e, secondo lo studio, sono stati in grado di raggiungere una velocità di evaporazione di 6,09 kg (13,4 libbre) all’ora.

Gli evaporatori assorbono il calore dalla luce solare, che trasforma l’acqua in vapore e lascia dietro di sé il sale. Il vapore viene quindi spostato in uno spazio più fresco dove si condensa in acqua purificata. Gli scienziati affermano che non solo il loro dispositivo cilindrico riduce al minimo le perdite di energia, ma la sua superficie più ampia previene i blocchi di sale che si verificano in altre forme di desalinizzazione del vapore solare.

Il team afferma che il loro dispositivo è in grado di purificare una quantità record di acqua dolce: circa 22 litri per metro quadrato (0,54 per piede quadrato) al giorno. È sufficiente per soddisfare le esigenze di 10 adulti ed è “significativamente superiore” rispetto ad altri metodi di desalinizzazione a vapore solare.

La desalinizzazione tradizionale utilizza l’osmosi inversa per separare il sale dall’acqua di mare. Per fare ciò, l’acqua viene fatta passare attraverso una membrana porosa sotto pressione. I fori nella membrana sono abbastanza grandi da consentire il passaggio delle molecole d’acqua, ma abbastanza piccoli da bloccare le impurità che rendono l’acqua salata. È un processo ad alto consumo energetico, che limita il luogo in cui è possibile installare le unità ad osmosi inversa. Secondo il Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti, fino al 40% del costo dell’acqua desalinizzata è attribuibile all’energia necessaria per far funzionare le pompe che pressurizzano l’acqua di fonte. Inoltre le membrane sono costose e devono essere cambiate regolarmente.

Yang ha affermato che la ricerca ha fornito “una nuova direzione” per la desalinizzazione dell’acqua di mare che potrebbe affrontare efficacemente la carenza idrica risparmiando energia attraverso la sua progettazione.

Desalinizzazione ad energia solare dal MIT e SJTU

Credito: MIT

I ricercatori del MIT e dell’Università Jiao Tong di Shanghai hanno ideato un altro dispositivo di desalinizzazione a energia solare che è davvero una meraviglia dell’ingegneria creativa. Non solo produce circa 5 litri di acqua per metro quadrato all’ora, ma si purifica dall’accumulo di sale prendendo in prestito dalle stesse forze naturali che alimentano le correnti oceaniche profonde del mondo. La ricerca è stata pubblicata il 27 settembre 2023 sulla rivista Joule. Ecco il riepilogo:

“I recenti progressi nella distillazione solare multistadio sono promettenti per la fornitura sostenibile di acqua dolce. Tuttavia, il significativo degrado delle prestazioni dovuto all’accumulo di sale ha rappresentato una sfida sia per l’affidabilità a lungo termine della desalinizzazione solare che per il trattamento efficiente delle scariche ipersaline.

Qui, ispirandoci a un fenomeno naturale – la convezione termoalina – dimostriamo una distillazione a membrana multistadio alimentata a energia solare con prestazioni estreme di resistenza al sale. Utilizzando uno strato salino confinato come evaporatore, avviamo una forte convezione termoalina per mitigare l’accumulo di sale e migliorare il trasferimento di calore.

“Con un’elevata produzione di acqua dolce e un’estrema resistenza al sale, il nostro dispositivo riduce significativamente i costi di produzione dell’acqua, aprendo la strada verso l’adozione pratica della desalinizzazione solare passiva per un’economia idrica sostenibile”.

Il nuovo sistema ha un tasso di produzione di acqua e un tasso di rifiuto del sale più elevati rispetto a tutti gli altri concetti di desalinizzazione solare passiva attualmente in fase di test. Si basa su uno o più di quelli che i ricercatori chiamano fasi. Ogni stadio contiene un evaporatore e un condensatore che utilizzano il calore del sole per separare passivamente il sale dall’acqua in entrata.

Un progetto precedente si era rivelato efficace nel rimuovere il sale dall’acqua che era fino a sette volte più salata di quella dell’oceano, ma il sale rimasto intasava rapidamente il sistema, il che significava che le fasi dovevano essere sostituite regolarmente. Il costo per farlo ha reso il sistema inadatto a scopi commerciali. Un secondo prototipo svolgeva un lavoro migliore nello smaltimento del sale ma soffriva di una ridotta produzione di acqua dolce.

Ora i ricercatori hanno trovato un modo per combinare le migliori caratteristiche di entrambi i prototipi per creare un sistema in grado di produrre fino a 60 litri di acqua dolce al giorno solare e scaricare il sale accumulato in modo da poter funzionare per anni senza manutenzione ordinaria. , il tutto senza la necessità di pompe di circolazione che necessitano di energia elettrica per funzionare.

“Per la prima volta, è possibile che l’acqua, prodotta dalla luce solare, sia ancora più economica dell’acqua del rubinetto”, afferma Lenan Zhang, ricercatore presso il Device Research Laboratory del MIT. Il team immagina che un dispositivo ingrandito delle dimensioni di una valigia possa produrre abbastanza acqua potabile per soddisfare le esigenze quotidiane di una piccola famiglia. Un sistema più ampio potrebbe rifornire le comunità costiere off-grid dove l’acqua di mare è facilmente accessibile.

L’ultimo progetto si basa sugli stessi principi che guidano le correnti oceaniche profonde del mondo. “Quando l’acqua di mare è esposta all’aria, la luce solare fa evaporare l’acqua. Una volta che l’acqua lascia la superficie, rimane il sale. Maggiore è la concentrazione di sale, più denso è il liquido e l’acqua più pesante tende a scorrere verso il basso”, spiega Zhang.

“Imitando questo fenomeno che si estende per un chilometro in una piccola scatola, possiamo sfruttare questa caratteristica per respingere il sale. Zhenyuan Xu dell’Università Jiao Tong di Shanghai in Cina aggiunge: “Ora abbiamo introdotto una convezione ancora più potente, simile a quella che vediamo normalmente nell’oceano”.

Come funziona

Ogni fase dell’ultimo sistema assomiglia a una scatola sottile sormontata da un materiale scuro che assorbe efficacemente il calore del sole. La scatola è divisa in una sezione superiore e una inferiore. L’acqua può fluire attraverso la metà superiore, dove il soffitto è rivestito da uno strato che utilizza il calore del sole per riscaldare ed evaporare l’acqua che entra in contatto diretto con esso.

Il vapore acqueo viene quindi incanalato nella metà inferiore della scatola dove uno strato di condensazione raffredda il vapore trasformandolo in un liquido potabile privo di sale. I ricercatori hanno posizionato l’intera scatola ad angolo all’interno di un recipiente vuoto più grande, quindi hanno collegato un tubo dalla metà superiore della scatola fino al fondo del recipiente e hanno fatto galleggiare il recipiente in acqua salata.

In questa configurazione, l’acqua può spingersi naturalmente verso l’alto attraverso il tubo e nella scatola, dove l’inclinazione della scatola, combinata con l’energia termica del sole, induce l’acqua a ruotare mentre scorre attraverso. I piccoli vortici aiutano a portare l’acqua a contatto con lo strato evaporante superiore mantenendo il sale in circolazione anziché depositarsi e intasare il sistema.

Il team ha costruito diversi prototipi, con uno, tre e 10 stadi, e ne ha testato le prestazioni in acqua con diversa salinità. Da questi test, i ricercatori hanno calcolato che se il sistema fosse ingrandito fino a un metro quadrato, produrrebbe fino a 5 litri di acqua potabile all’ora e che il sistema potrebbe desalinizzare l’acqua senza accumulare sale per diversi anni.

“Abbiamo dimostrato che questo dispositivo è in grado di raggiungere una lunga durata”, afferma Zhong. “Ciò significa che, per la prima volta, è possibile che l’acqua potabile prodotta dalla luce solare sia più economica dell’acqua del rubinetto. Ciò apre la possibilità alla desalinizzazione solare di affrontare i problemi del mondo reale”. Per ulteriori informazioni su come funziona il nuovo sistema, guarda il video qui sotto.

L’asporto

L’acqua dolce sta diventando sempre più difficile da trovare. Il livello più basso dei fiumi sta permettendo all’acqua salata degli oceani di risalire a monte, mettendo in pericolo le riserve idriche pubbliche in alcune aree costiere. D’altro canto, i deflussi agricoli carichi di fosfati e nitrati stanno minacciando le forniture idriche delle comunità dell’entroterra, qualcosa di cui i soloni della Corte Suprema degli Stati Uniti sembrano beatamente inconsapevoli.

C’è una buona probabilità che nel prossimo futuro saranno necessarie tecnologie di desalinizzazione per produrre abbastanza acqua dolce per le persone, gli animali e l’agricoltura. L’osmosi inversa è troppo costosa per un intervento su larga scala. I ricercatori del MIT e i loro colleghi cinesi potrebbero aver inventato un processo che si rivelerà fondamentale per la sopravvivenza umana man mano che la fornitura di acqua dolce potabile diventa sempre più ridotta.