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Sexta-feira, Maio 20, 2022

Da água do mar à água potável com o apertar de um botão – sem filtros!

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Água do mar para água potável sem filtros

A unidade de fácil utilização, que pesa menos de 10 quilos e não requer o uso de filtros, pode ser alimentada por um pequeno painel solar portátil. Crédito: M. Scott Brauer

Pesquisadores constroem uma unidade portátil de dessalinização que gera água potável limpa e límpida, sem a necessidade de filtros ou bombas de alta pressão.

The device, which is about the size of a suitcase, needs less power to operate than a cell phone charger. It can also be driven by a small, portable solar panel, which can be purchased online for around $50. It automatically generates drinking water that exceeds World Health Organization (WHO) quality standards. The technology is packaged into a user-friendly device that runs with the push of a single button.

Unlike other portable desalination devices that require water to pass through filters, this unit utilizes electrical power to remove particles from drinking water. Eliminating the need for replacement filters significantly reduces the long-term maintenance requirements.

Two Stage Ion Concentration Polarization Process

The setup includes a two-stage ion concentration polarization (ICP) process, with water flowing through six modules in the first stage then through three in the second stage, followed by a single electrodialysis process Credit: M. Scott Brauer

This could enable the unit to be deployed in remote and severely resource-limited areas, such as communities on small islands or aboard seafaring cargo ships. It could also be used to aid refugees fleeing natural disasters or by soldiers carrying out long-term military operations.

“This is really the culmination of a 10-year journey that I and my group have been on. We worked for years on the physics behind individual desalination processes, but pushing all those advances into a box, building a system, and demonstrating it in the ocean, that was a really meaningful and rewarding experience for me,” says senior author Jongyoon Han, a professor of electrical engineering and computer science and of biological engineering, and a member of the Research Laboratory of Electronics (RLE).

Joining Han on the paper are first author Junghyo Yoon, a research scientist in RLE; Hyukjin J. Kwon, a former postdoc; SungKu Kang, a postdoc at Northeastern University; and Eric Brack of the U.S. Army Combat Capabilities Development Command (DEVCOM). The research has been published online in the journal Environmental Science and Technology.

Tecnologia sem filtro

As unidades de dessalinização portáteis disponíveis comercialmente normalmente exigem bombas de alta pressão para empurrar a água através dos filtros, que são muito difíceis de miniaturizar sem comprometer a eficiência energética do dispositivo, explica Yoon.

Em vez disso, sua unidade se baseia em uma técnica chamada polarização de concentração de íons (ICP), que foi pioneira pelo grupo de Han há mais de 10 anos. Em vez de filtrar a água, o processo ICP aplica um campo elétrico às membranas colocadas acima e abaixo de um canal de água. As membranas repelem partículas carregadas positiva ou negativamente – incluindo moléculas de sal, bactérias e vírus – à medida que passam. As partículas carregadas são canalizadas para uma segunda corrente de água que é eventualmente descarregada.

O processo remove sólidos dissolvidos e suspensos, permitindo que a água limpa passe pelo canal. Uma vez que requer apenas uma bomba de baixa pressão, o ICP usa menos energia do que outras técnicas.

Dispositivo portátil de água do mar para água potável

O dispositivo portátil não requer filtros de substituição, o que reduz bastante os requisitos de manutenção a longo prazo. Crédito: M. Scott Brauer

Mas o ICP nem sempre remove todos os sais que flutuam no meio do canal. Assim, os pesquisadores incorporaram um segundo processo, conhecido como eletrodiálise, para remover os íons de sal restantes.

Yoon e Kang usaram o aprendizado de máquina para encontrar a combinação ideal de módulos ICP e eletrodiálise. A configuração ideal inclui um processo ICP de dois estágios, com água fluindo através de seis módulos no primeiro estágio e depois por três no segundo estágio, seguido por um único processo de eletrodiálise. Isso minimizou o uso de energia, garantindo que o processo permaneça autolimpante.

“Embora seja verdade que algumas partículas carregadas possam ser capturadas na membrana de troca iônica, se ficarem presas, apenas invertemos a polaridade do campo elétrico e as partículas carregadas podem ser facilmente removidas”, explica Yoon.

Eles encolheram e empilharam os módulos ICP e eletrodiálise para melhorar sua eficiência energética e permitir que eles se encaixassem em um dispositivo portátil. Os pesquisadores projetaram o dispositivo para não especialistas, com apenas um botão para iniciar o processo automático de dessalinização e purificação. Uma vez que o nível de salinidade e o número de partículas diminuem para limites específicos, o dispositivo notifica o usuário que a água é potável.

Os pesquisadores também criaram um aplicativo de smartphone que pode controlar a unidade sem fio e relatar dados em tempo real sobre consumo de energia e salinidade da água.

Testes de praia

Depois de executar experimentos de laboratório usando água com diferentes níveis de salinidade e turbidez (nublado), eles testaram o dispositivo em Carson Beach, em Boston.

Yoon e Kwon colocaram a caixa perto da costa e jogaram o tubo de alimentação na água. Em cerca de meia hora, o dispositivo encheu um copo de plástico com água potável.

Jongyoon Han e Junghyo Yoon

Pesquisadores do MIT criaram uma unidade portátil de dessalinização que pode remover automaticamente partículas e sais simultaneamente para gerar água potável. “Este é realmente o culminar de uma jornada de 10 anos em que eu e meu grupo estamos”, diz o autor sênior Jongyoon Han, à direita, na foto com Junghyo Yoon, sentado. Crédito: M. Scott Brauer

“Foi um sucesso mesmo em sua primeira execução, o que foi bastante emocionante e surpreendente. Mas acho que a principal razão do nosso sucesso é o acúmulo de todos esses pequenos avanços que fizemos ao longo do caminho”, diz Han.

A água resultante superou as diretrizes de qualidade da Organização Mundial da Saúde e a unidade reduziu a quantidade de sólidos suspensos em pelo menos um fator de 10. Seu protótipo gera água potável a uma taxa de 0,3 litros por hora e requer apenas 20 watts de energia por litro .

“No momento, estamos impulsionando nossa pesquisa para aumentar essa taxa de produção”, diz Yoon.

Um dos maiores desafios de projetar o sistema portátil foi projetar um dispositivo intuitivo que pudesse ser usado por qualquer pessoa, diz Han.

Yoon espera tornar o dispositivo mais fácil de usar e melhorar sua eficiência energética e taxa de produção por meio de uma startup que planeja lançar para comercializar a tecnologia.

No laboratório, Han quer aplicar as lições que aprendeu na última década a questões de qualidade da água que vão além da dessalinização, como a detecção rápida de contaminantes na água potável.

“Este é definitivamente um projeto empolgante e estou orgulhoso do progresso que fizemos até agora, mas ainda há muito trabalho a fazer”, diz ele.

Por exemplo, embora o “desenvolvimento de sistemas portáteis usando processos de eletromembrana seja uma direção original e emocionante na dessalinização em pequena escala e fora da rede”, os efeitos da incrustação, especialmente se a água tiver alta turbidez, podem aumentar significativamente os requisitos de manutenção e custos de energia, observa Nidal Hilal, professor de engenharia e diretor do[{” attribute=””>New York University Abu Dhabi Water research center, who was not involved with this research.

“Another limitation is the use of expensive materials,” he adds. “It would be interesting to see similar systems with low-cost materials in place.”

Reference: “Portable Seawater Desalination System for Generating Drinkable Water in Remote Locations” by Junghyo Yoon, Hyukjin J. Kwon, SungKu Kang, Eric Brack and Jongyoon Han, 14 April 2022, Environmental Science and Technology.
DOI: 10.1021/acs.est.1c08466

The research was funded, in part, by the DEVCOM Soldier Center, the Abdul Latif Jameel Water and Food Systems Lab (J-WAFS), the Experimental AI Postdoc Fellowship Program of Northeastern University, and the Roux AI Institute.





Fonte original deste artigo

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