Este método de limpieza bajo la luz solar natural abre un nuevo paradigma en la producción de agua limpia con energía solar renovable.

Dado que se espera que la población continúe creciendo a alrededor de 9,7 mil millones de personas para 2050, la demanda mundial de agua limpia y segura crecerá con ella.

Los sistemas de agua contaminados son un grave problema de salud mundial, que causan aproximadamente 500.000 muertes por diarrea cada año y contribuyen a la transmisión de enfermedades como el cólera, la malaria y la fiebre tifoidea. Para 2025, la mitad de la población mundial vivirá en áreas en peligro de extinción por el agua. Por lo tanto, las soluciones al desafío de proporcionar agua potable limpia y accesible, especialmente en los países empobrecidos, son de suma importancia.

En un estudio publicado recientemente en Materiales avanzadosUn grupo de investigadores dirigido por el profesor Rodney Priestley de la Universidad de Princeton se inspiró en la naturaleza para desarrollar su «gel absorbente solar» para purificar el agua contaminada utilizando únicamente la luz solar natural.

«Una solución al problema de la escasez de agua debe ser respetuosa con el medio ambiente y no debe contaminar más la disponibilidad de agua limpia», escriben en su artículo. «Es importante evitar el compromiso paralizante entre la energía y el agua, es decir, la llamada relación agua-energía». La evaporación de agua con energía solar es una estrategia prometedora y sostenible en este sentido.

El tratamiento solar del agua es una tecnología desarrollada que utiliza la luz solar para promover la evaporación del agua, dejando impurezas. Esto generalmente usa electricidad generada por paneles solares o colectores solares. Si bien esta es una solución prometedora para una creciente crisis del agua, las limitaciones de la tecnología, en particular la tasa de producción de agua, deben superarse antes de que pueda ser más rentable.

Esto es lo que Priestley y sus compañeros de trabajo se propusieron hacer con su gel absorbente solar, eliminando la necesidad de calentar y vaporizar el agua en primer lugar. En cambio, se basa en la capacidad del pez globo para inflarse y desinflarse en respuesta a los peligros del agua. En este caso, sin embargo, se absorbe agua contaminada y se escupió agua potable limpia.

En este sentido, los hidrogeles, materiales absorbentes de agua que consisten en una red de polímeros reticulados, son perfectos imitadores del pez globo. El equipo utilizó una clase de hidrogeles sensibles al calor que pueden regular su capacidad para absorber o repeler el agua cuando se exponen a una temperatura de conmutación crítica de ~ 33 ° C, una temperatura que se puede alcanzar fácilmente con la luz solar natural.

Los hidrogeles por sí solos no pueden absorber ni reaccionar a la luz solar, por lo que el material de este trabajo estaba equipado con una molécula recolectora de energía solar. En el estudio actual, el equipo utilizó polidopamina (PDA), un polímero a base de melanina que tiene una absorción solar de banda ancha y una eficiencia de conversión de la luz. De esta manera, el equipo pudo crear un hidrogel que, cuando se calienta con la luz solar, reacciona al cambio inducido de calor liberando el agua absorbida.

«El PDA ofrece propiedades beneficiosas adicionales para la purificación del agua: la presencia de grupos amino y anillos aromáticos le da al PDA la capacidad de eliminar iones de metales pesados ​​y tintes orgánicos mediante quelación y enlaces de hidrógeno», dicen los autores. Dos pájaros con una piedra.

El limpiador final se elabora depositando PDA y otro polímero llamado alginato de sodio (que ayuda a repeler las sales) en un hidrogel macroporoso sensible al calor. Cuando se sumerge en agua contaminada, el gel absorbente solar, llamado SAG por el equipo, absorbe grandes cantidades de agua mientras repele sales, bacterias, aceites y otros contaminantes. Cuando el gel se expuso a la luz solar, se calentó y desencadenó un cambio de fase que resultó en la expulsión de agua líquida limpia. ¡No requiere evaporación!

La tasa de captación de agua del SAG alcanzó 7,18 kg m−2 H−1 exposición a la luz solar y dado que la limpieza no requirió evaporación del agua, la tasa de recolección de agua es más alta que con otras tecnologías comparables.

«Este mecanismo multimodal de generar agua pura bajo la luz solar natural abre un nuevo paradigma para la generación de agua limpia de alta frecuencia a partir de fuentes de agua contaminadas utilizando energía solar renovable», escriben los autores. «Queremos que estas características atractivas de SAG allanen el camino para mejorar la salud de muchas personas en la sociedad al brindarles acceso a un recurso vital, el agua limpia».

Referencia: Xiaohui Xu et al., Un hidrogel elástico bioinspirado para purificación de agua con energía solar, Materiales avanzados (2021). DOI: 10.1002 / adma.202007833

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