Stagni di evaporazione, comunemente utilizzati in molti settori per la gestione delle acque reflue, può estendersi per acri, occupando una grande impronta e spesso ponendo rischi per gli uccelli e altri animali selvatici. Eppure sono un modo economico per trattare l'acqua contaminata perché sfruttano l'evaporazione naturale sotto la luce del sole per ridurre grandi volumi di acqua sporca a volumi molto più piccoli di rifiuti solidi.

Ora i ricercatori del Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) del Dipartimento dell'Energia hanno dimostrato un modo per raddoppiare la velocità di evaporazione utilizzando l'energia solare e sfruttando le proprietà intrinseche dell'acqua. Lo studio, guidato dagli scienziati del Berkeley Lab Akanksha Menon e Ravi Prasher, è riportato oggi sul giornale Sostenibilità della natura .

Gli stagni di evaporazione sono utilizzati nelle centrali elettriche, impianti di desalinizzazione, nell'industria petrolifera e del gas, e anche per l'estrazione del litio, in cui la salamoia ricca di litio viene pompata in vaste, stagni di sale artificiali. Sono comuni in Cina, Australia, Europa, Medio Oriente, e parti degli Stati Uniti dove il clima è adatto (arido o semi-arido con molto sole), e questi stagni possono avere le dimensioni di centinaia di campi da calcio, con molti di loro seduti fianco a fianco.

"Questo è un grosso problema sociale che stiamo cercando di risolvere. Per smaltire le acque reflue o per estrarre un sale prezioso come il litio, vorresti aumentare la velocità di evaporazione in modo drammatico e scalabile, "ha detto Prasher, un esperto di energia termica che è anche direttore associato di Berkeley Lab per l'Area Tecnologie Energetiche. "Se potessimo farlo, che potrebbero ridurre il loro impatto ambientale riducendo la quantità di terra necessaria."

Per massimizzare il recupero dell'acqua dalle acque reflue industriali e dalla salamoia di desalinizzazione, c'è stata una spinta per raggiungere lo "scarico liquido zero" in modo che il rifiuto finale sia un solido. Il processo prevede una serie di fasi di trattamento, e l'ultimo passaggio è spesso uno stagno di evaporazione. Menone, un borsista post-dottorato del Berkeley Lab, osserva che sono state proposte molte idee per utilizzare l'energia solare per accelerare il tasso di evaporazione.

"Negli ultimi cinque anni sono stati pubblicati diversi articoli, " ha detto. "La maggior parte coinvolge strutture che assorbono la luce solare che galleggiano sulla superficie dell'acqua, come una spugna nera, per localizzare il calore, poiché l'evaporazione è un fenomeno di superficie."

Sfortunatamente tali strutture porose tendono a intasarsi con gli stessi contaminanti che stanno cercando di separare. "Così nel tempo, le prestazioni degli assorbitori flottanti calano drasticamente, " ha detto Menon. "A volte i sali si incastrano sulla superficie e riflettono la luce solare invece di assorbirla".

Trasformare la lunghezza d'onda della luce solare

I ricercatori del Berkeley Lab hanno cercato una soluzione che potesse evitare tali problemi. "Ci siamo resi conto che se si osservano le proprietà dell'acqua, ha un assorbimento molto forte nella gamma di lunghezze d'onda del medio infrarosso, " disse Menon. "Se fai brillare la luce del medio infrarosso sull'acqua, lo assorbirà così fortemente da trattenere tutto quel calore in uno strato molto sottile."

Il team ha deciso di costruire un dispositivo che paragonano a un "trasformatore di radiazioni, " che prende energia dalla luce solare nell'intervallo da 400 a 1, 500 nanometri e lo converte in 3, 000 nanometri o più, che è nella gamma del medio infrarosso.

Gli scienziati del Berkeley Lab hanno dimostrato il concetto in laboratorio utilizzando una soluzione satura di sale da cucina. Nel loro esperimento, il loro dispositivo prototipo ha aumentato il tasso di evaporazione di oltre il 100% rispetto all'evaporazione naturale. Aggiungono che esiste la possibilità di aumentare l'evaporazione del 160% ottimizzando il design termico.

Il loro dispositivo fototermico, un foglio piatto che assorbe selettivamente l'energia solare da un lato ed emette energia nel medio infrarosso dall'altro, si trova sopra l'acqua in uno stagno di evaporazione come un ombrello. "Un sito può avere una serie di questi ombrelloni solari, probabilmente seduto sui pali della tenda, circa un piede o giù di lì sopra l'acqua, " disse Menone.

I ricercatori hanno notato che tali ombrelli solari potrebbero anche svolgere un ruolo negli impianti di desalinizzazione, che stanno emergendo come una soluzione per la crescente domanda di acqua in tutto il mondo, ma lo smaltimento del sottoprodotto, la salamoia concentrata, rimane un problema. Berkeley Lab guida la National Alliance for Water Innovation (NAWI), che è stato assegnato all'Hub di desalinizzazione energia-acqua da $ 100 milioni dal DOE all'inizio di quest'anno.

"Se hai intenzione di fare una desalinizzazione su larga scala, una delle sfide più grandi è come trovare tecnologie scalabili, " Ha detto Prasher. "Questa è potenzialmente una tecnologia di scarico a zero liquidi altamente scalabile, che non richiede energia perché si basa sull'energia solare."

Prasher ha detto che la prossima squadra vuole perseguire due direzioni. Il primo è quello di fare un'analisi tecnico-economica sia per l'estrazione del litio che per lo scarico a zero liquido per gli impianti di dissalazione per capire meglio i costi. Il secondo è cercare di realizzare il dispositivo con un polimero o altro materiale per ridurre ulteriormente i costi.