La escasez de agua dulce es un desafío cada vez más grave para el desarrollo social. Se informa que el 29% de la población mundial carece de agua potable, y la demanda de agua limpia sigue aumentando debido al crecimiento demográfico y a los problemas ambientales. El agua limpia asociada al saneamiento es particularmente importante en el contexto del brote actual de la enfermedad por coronavirus (neumonía por neocoronavirus). La evaporación de agua con energía solar se considera una de las tecnologías más prometedoras para producir agua limpia a partir de agua de mar y aguas residuales, utilizando la luz solar como único insumo energético. Esta tecnología se basa en gran medida en absorbedores solares, que actúan como evaporadores para convertir la energía solar en calor y producir vapor. Para lograr altas tasas de evaporación de agua y eficiencias de conversión de calor solar, el material ideal debe tener un amplio rango de absorbancia para utilizar eficientemente una gran parte del espectro solar, baja conductividad térmica para suprimir la pérdida de calor y canales porosos tridimensionales (3D) para un transporte eficiente del agua. Hasta la fecha, los científicos han desarrollado diversos materiales fototérmicos basados en carbono (p. ej., grafeno o nanotubos de carbono), polímeros, metales, óxidos metálicos y sus híbridos, etc.
Los científicos han estado trabajando arduamente para explorar y lograr muchos avances en los últimos años, así que aprendamos de varias publicaciones temáticas sobre el progreso de la investigación en la generación de agua limpia fototérmica en los últimos años.
- Nature Communications: Las hojas de las plantas inspiran un purificador de agua de alta eficiencia alimentado con energía solar
Las hojas de las plantas vasculares naturales dependen de las diferencias en la presión osmótica, la transpiración y la excreción para producir toneladas de agua limpia, impulsadas por la luz solar. Inspirados por esto, los investigadores del grupo de Chun Li en la Universidad de Tsinghua han presentado un purificador accionado por luz solar para la purificación y producción eficiente de agua. Este purificador cuenta con un hidrogel de poli(N-isopropilacrilamida) (PN) sensible a la temperatura negativa, anclado a una estructura de espuma de melamina superhidrofílica y recubierto con una membrana de filtro de grafeno (PG) modificada con PNIPAm en el exterior. Las simulaciones de dinámica molecular y los resultados experimentales mostraron que la naturaleza superhidrofílica de la estructura de melamina relativamente rígida aceleró significativamente la tasa de hinchamiento/deshinchamiento del purificador PNPG-F. Bajo la misma intensidad de irradiación solar, esta estructura diseñada racionalmente proporcionó una recolección de 4.2 kg/m²/h y una eliminación de iones > 99 % para un solo PNPG-F a partir de una alimentación de salmuera mediante los efectos sinérgicos de la evaporación y la adición por goteo. El autor prevé un gran potencial para este sistema altamente eficiente, impulsado por la luz solar, en diversas aplicaciones de tratamiento de agua. El estudio se publicó como un artículo titulado «Purificador impulsado por la luz solar inspirado en hojas de plantas para la producción de agua limpia de alta eficiencia» en la revista Nature Communications.
- Avances científicos: Redes poliméricas altamente hidratables de hidrogeles que absorben la luz para la purificación solar del agua
La evaporación solar de agua para la purificación de agua es una tecnología prometedora para la producción de agua dulce. Sin embargo, la generación de vapor solar requiere un alto consumo de energía, lo que resulta en una baja producción de agua con luz natural. Por lo tanto, existe una gran necesidad de desarrollar nuevos materiales que puedan reducir la demanda energética para la evaporación de agua y acelerar la purificación solar de agua. El grupo del profesor Guihua Yu en Austin, Texas, EE. UU., informó sobre un hidrogel absorbente de luz altamente hidratado (h-LAH) compuesto de alcohol polivinílico y quitosano como cadena principal de hidratación y polipirrol como absorbente de luz, que puede utilizar menos energía (<50% del volumen de agua) para evaporar agua. Se demostró que el aumento de la capacidad de hidratación de h-LAH puede cambiar el estado del agua y activarla parcialmente, facilitando así su evaporación. h-LAH aumentó la producción de vapor solar a una tasa récord de ~3.6 kg/m²/h en 2 sol. La evaporación solar de agua basada en h-LAH también exhibió durabilidad a largo plazo y propiedades antiincrustantes contra contaminantes iónicos complejos. La investigación fue publicada en un artículo titulado “Plant leaves inspired sunshine-driven purifier for high-efficiency clean water production” en la subrevista Science Advances”.
- Angew: Materiales COF con superhidrofilicidad y absorción de luz de amplia longitud de onda para la evaporación fototérmica de agua
La hidrofobicidad inherente y la limitada absorción de luz de los polímeros orgánicos porosos, especialmente en la región del infrarrojo cercano (NIR), son dos cuellos de botella que dificultan su aplicación en la generación de vapor solar (SSG). Investigadores del grupo de Xiaoli Yan en la Universidad de Jilin han desarrollado un marco orgánico covalente (COF) basado en 1,4,5,8-tetrakis(fenilamino)antraceno-9,10-diona (TPAD) (TPAD-COF), que se caracteriza por su superhidrofilicidad y una amplia absorción de luz que cubre SSG de toda la región NIR UV/visible. TPAD-COF, como un material de conversión fototérmica eficiente sin aditivos, exhibe una excelente evaporación de agua de 1.42 kg/m2/h y alcanza una alta eficiencia de conversión de energía del 94% bajo una irradiación de intensidad solar. Una extensión adicional del rango de absorción de luz de COF basado en TPAD se logró mediante la modificación postsintética de moléculas de BF2 queladas. Experimentos y análisis de control sistemático confirman que la hidrofilicidad del material de conversión fototérmica desempeña un papel más importante en los COF basados en TPAD que se utilizan actualmente para la evaporación fototérmica de agua. El trabajo de investigación, titulado «Superhydrophilic2D Covalent Organic Frameworks as Broadband Absorbers for Efficient Solar Steam Generation», se publicó en la prestigiosa revista internacional Angewise.
- JACS: Hidrogel de COF/grafeno de doble región hidrofílico-hidrofóbico para la evaporación fototérmica de agua.
La evaporación solar de agua es una tecnología sostenible para el tratamiento del agua que puede ayudar a aliviar la escasez mundial de agua. Sin embargo, esta tecnología enfrenta grandes desafíos debido al alto consumo de energía y la baja tasa de evaporación. El grupo del Prof. Arne Thomas, de la Universidad Técnica de Berlín (Alemania), presenta un hidrogel de doble región con estructura orgánica covalente (COF) y grafeno que contiene regiones hidrófilas e hidrófobas en un solo material mediante una sencilla estrategia de crecimiento in situ. El COF hidrófilo cubre parte de la región hidrófoba del grafeno. Mediante el control preciso de las dos regiones de humectación, el hidrogel híbrido muestra una captación de luz eficaz, una humectabilidad ajustable, un contenido de agua optimizado y un menor requerimiento energético para la evaporación. Como absorbedor solar, el hidrogel de doble región alcanza una tasa de generación de vapor de hasta 3.69 kg/m²/h por 2 irradiación solar (1 kW/m²), comparable a la de otros materiales avanzados. Además, este evaporador de hidrogel puede utilizarse para producir agua potable a partir de agua de mar y aguas residuales, lo que demuestra su potencial para el tratamiento de aguas. El trabajo de investigación fue publicado en la revista JACS como “A Covalent Organic Framework/Graphene Dual-Region Hydrogel for Enhanced Solar-Driven Water Generation”, JACS, una revista internacional de primer nivel.
- Avances científicos: Evaporador de agua fototérmico de alta eficiencia inspirado en la estructura de las hojas de los nenúfares
En los últimos años, la generación de vapor solar interfacial ha demostrado un gran potencial para lograr una alta eficiencia de conversión energética en la desalinización y el tratamiento de aguas residuales. Sin embargo, no se pueden mantener altas tasas de evaporación debido a la inevitable acumulación de incrustaciones o sales en el absorbedor solar. La degradación se acelera a medida que aumenta la concentración de solutos. Para abordar este problema, el grupo del profesor Jia Zhu en la Universidad de Nanjing, inspirado en la estructura de las hojas de los nenúfares, diseñó una estructura de múltiples etapas (dispositivo de conversión fototérmica de vapor con estructura jerárquica inspirada en los nenúfares (WHS), que puede lograr una eficiencia de conversión fototérmica del 80% al tratar el 10% en peso de agua salada altamente concentrada y el 30% en peso de aguas residuales. Vale la pena mencionar que la eficiencia de conversión fototérmica no disminuye significativamente durante el tratamiento de salmuera y aguas residuales altamente concentradas hasta que se completa la evaporación (es decir, "descarga cero") y la superficie permanece limpia. El trabajo fue publicado en Science Advance bajo el título "Un diseño jerárquico inspirado en los nenúfares para la evaporación solar estable y eficiente de salmuera de alta salinidad".
- Nanoenergía: disulfuro de molibdeno para la evaporación fototérmica de agua
Investigadores del grupo de Lifeng Wan en el Instituto de Materiales de Frontera de la Universidad de Deakin han desarrollado una serie de heteroestructuras de disulfuro de metal de transición y nitruro rico en nitrógeno para la evaporación solar de agua mediante transformación parcial de cristal. En particular, estas avanzadas heteroestructuras 2D exhiben una absorción espectral mejorada en el rango infrarrojo y una excelente estabilidad química en diferentes soluciones, incluyendo agua, ácidos y bases. Más importante aún, debido a la mayor intensidad de absorción espectral y la menor pérdida de calor, el dispositivo solar térmico MoS2-Mo5N6/ espuma de melamina (MF) exhibe una alta tasa de evaporación (2.31 kg m-2h-1) y eficiencia de conversión (106.6%), que son 1.4 y 4.7 veces superiores a las de los dispositivos solares MoS2/MF y MF/agua, respectivamente. Este trabajo proporciona una serie de heteroestructuras avanzadas 2D-2D de TMD-nitruro rico en nitrógeno con un excelente rendimiento fototérmico para la generación solar de agua. Este trabajo fue publicado en Nano energy, una revista internacional de primer nivel, con el título “Heteroestructuras 2D-2D avanzadas de dicalcogenuros de metales de transición y nitruros ricos en nitrógeno para la generación de agua mediante energía solar”.
Se espera que la tecnología de evaporación de agua fototérmica solar resuelva la escasez global de agua limpia, lo que se debe resolver ahora es la preparación de bajo costo de materiales fototérmicos, la operación de alta eficiencia, así como la estabilidad y portabilidad de uso en entornos de aplicación práctica, ¡esperando más resultados en el futuro para el beneficio temprano de toda la humanidad!
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