Pesquisadores do MIT desenvolveram uma unidade portátil de dessalinização, pesando menos de 10 quilos, que pode remover partículas e sais para gerar água potável.
O dispositivo do tamanho de uma mala, que requer menos energia para funcionar do que um carregador de celular, também pode ser acionado por um pequeno painel solar portátil, que pode ser comprado online por cerca de US$ 50. Gera automaticamente água potável que excede os padrões de qualidade da Organização Mundial da Saúde. A tecnologia é empacotada em um dispositivo amigável que funciona com o apertar de um botão.
Ao contrário de outras unidades portáteis de dessalinização que exigem que a água passe pelos filtros, este dispositivo utiliza energia elétrica para remover partículas da água potável. A eliminação da necessidade de substituição de filtros reduz consideravelmente os requisitos de manutenção a longo prazo.
Isso pode permitir que a unidade seja implantada em áreas remotas e com recursos severamente limitados, como comunidades em pequenas ilhas ou a bordo de navios de carga marítimos. Também poderia ser usado para ajudar refugiados que fogem de desastres naturais ou por soldados que realizam operações militares de longo prazo.
“Este é realmente o culminar de uma jornada de 10 anos em que eu e meu grupo estivemos. Trabalhamos durante anos na física por trás dos processos individuais de dessalinização, mas colocar todos esses avanços em uma caixa, construir um sistema e demonstrá-lo no oceano, foi uma experiência realmente significativa e gratificante para mim ”, diz o autor sênior Jongyoon Han, professor de engenharia elétrica e ciência da computação e de engenharia biológica e membro do Laboratório de Pesquisa em Eletrônica (RLE).
Juntando-se a Han no artigo estão o primeiro autor Junghyo Yoon, um cientista pesquisador da RLE; Hyukjin J. Kwon, ex-pós-doc; SungKu Kang, pós-doc na Northeastern University; e Eric Brack do Comando de Desenvolvimento de Capacidades de Combate do Exército dos EUA (DEVCOM). A pesquisa foi publicada online na revista 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 iniciada 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.
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.
“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 excitante na dessalinização de 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 centro de pesquisa da New York University Abu Dhabi Water, que não esteve envolvido com esta pesquisa.
“Outra limitação é o uso de materiais caros”, acrescenta. “Seria interessante ver sistemas semelhantes com materiais de baixo custo.”
A pesquisa foi financiada, em parte, pelo DEVCOM Soldier Center, o Abdul Latif Jameel Water and Food Systems Lab (J-WAFS), o Experimental AI Postdoc Fellowship Program da Northeastern University e o Roux AI Institute.
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