Los científicos desarrollan un método paralelo para la recolección de niebla y el tratamiento del agua

La recolección de niebla ofrece a las regiones desprovistas de lagos y ríos otra fuente de agua dulce, pero en los centros urbanos, donde el agua suele escasear, existe el desafío adicional de la contaminación del aire. Ahora, los investigadores han desarrollado una forma sencilla de recolectar agua de la niebla y eliminar simultáneamente contaminantes dañinos, un avance que podría ayudar a brindar acceso a agua potable a millones de personas en todo el mundo.

Como se informó hoy en la revista Nature Sustainability, los investigadores demuestran cómo una malla de acero diseñada con nanoingeniería con un recubrimiento especial alimentado por energía solar puede recolectar gotas de agua de la niebla y luego tratar el agua para hacerla segura para beber. El recubrimiento, un polímero que consiste en nanopartículas de dióxido de titanio, tiene la capacidad única de permanecer reactivo una vez expuesto a la luz solar y eliminar la contaminación, llueva o haga sol, las 24 horas del día.

Este enfoque híbrido y totalmente pasivo para recolectar y tratar agua es "el primero en su campo", según el investigador principal Thomas Schutzius, profesor asistente de ingeniería mecánica en UC Berkeley. Anteriormente, fue profesor asistente en ETH Zurich, donde se completó la mayor parte de este trabajo.

"Con la recolección de agua queremos resolver el problema de crear agua potable donde se necesita, pero existe el problema concurrente de la contaminación del aire en los centros urbanos", dijo Schutzius. "Creemos que la respuesta es un tratamiento paralelo, por lo que nuestro objetivo era desarrollar colectores de niebla que pudieran recolectar agua y eliminar parte de esta contaminación, especialmente la contaminación orgánica, sin dejar de permanecer pasivos".

Solución para todo el día y todo clima

Durante años, los investigadores han estado desarrollando sistemas pasivos para recolectar eficientemente gotas microscópicas de agua de la niebla, a menudo utilizando grandes vallas verticales de malla tejida nanoscópica. Sin embargo, este trabajo anterior se centró en la niebla no contaminada. En entornos urbanos e industriales, e incluso en áreas a favor del viento, las gotas de niebla pueden contaminarse con niveles peligrosos de contaminantes orgánicos, muchos de ellos relacionados con el cáncer u otros problemas de salud graves, lo que hace que el agua recolectada no sea potable.

Thomas Schutzius, profesor asistente de ingeniería mecánica en UC Berkeley.

Para eliminar estos contaminantes de las gotas de agua de niebla capturadas, los investigadores recurrieron a recubrimientos poliméricos. El autor principal, Ritwick Ghosh, científico del Instituto Max Planck para la Investigación de Polímeros e investigador visitante en ETH Zurich, había descubierto previamente que era posible tratar, hasta cierto punto, la niebla contaminada mediante el uso de recubrimientos de malla que contienen nanopartículas de óxido metálico fotocatalíticamente activas. como el dióxido de titanio.

Dichos recubrimientos se vuelven reactivos cuando se exponen a la luz solar y hacen que las moléculas contaminantes en las gotas de niebla se descompongan en agentes inofensivos, lo que hace que el agua recolectada sea segura para beber. Pero estos recubrimientos requerían una iluminación activa y continua de una lámpara ultravioleta para realizar el trabajo, lo que impedía su capacidad para tratar eficazmente los contaminantes orgánicos.

En este último estudio, Schutzius y Ghosh dieron el siguiente paso para hacer que el tratamiento fuera completamente pasivo: optimizaron el recubrimiento de nanopartículas para que pudiera continuar tratando el agua sin necesidad de exposición constante a la luz ultravioleta.

"La clave aquí es que podemos hacer que la superficie reaccione cuando hace sol, y permanece reactiva incluso cuando hay niebla o nubes, exhibiendo un comportamiento casi capacitivo", dijo Schutzius, describiendo la capacidad del recubrimiento reactivo para almacenar carga, de manera muy similar a una batería, lo que permite tratar eficazmente el agua independientemente de las condiciones climáticas y la hora del día.

Sobresaliendo en el tratamiento

Como parte de este estudio, los investigadores probaron dos tipos de recubrimiento, hidrofílico e hidrofóbico. Ambos funcionaron igual de bien en la recolección de agua, pero la versión hidrofílica destacó en el tratamiento.

Debido a que el recubrimiento hidrófilo atrae el agua, las gotas de agua recolectadas forman una película delgada a lo largo de la malla, lo que permite que las moléculas contaminantes viajen una distancia corta antes de encontrar el recubrimiento reactivo de la malla, lo que luego hace que se descompongan. Por el contrario, el revestimiento hidrófobo o repelente del agua hace que el agua se acumule formando una capa gruesa sobre la malla, lo que requiere más tiempo para que las partículas contaminantes lleguen a la superficie reactiva.

Después de realizar pruebas de laboratorio con contaminantes comunes, como diésel y bisfenol A, los investigadores quisieron medir el rendimiento de la malla recubierta hidrófila en un entorno del mundo real. Luego probaron la malla en un tejado, bajo el sol directo, utilizando naranja de metilo como contaminante. Sus hallazgos mostraron que la malla recogió y trató la niebla contaminada con "un buen rendimiento de recolección de agua (≈8%) y una reducción excepcional de contaminantes orgánicos (>90%)".

A modo de contexto, en experimentos relacionados con recolectores de niebla, los investigadores pudieron lograr eficiencias de recolección máximas de ≈12% a 17%, aunque este trabajo se realizó en un laboratorio utilizando niebla no contaminada. Y en experimentos anteriores de Ghosh con mallas recubiertas de polímeros que requerían una exposición constante a los rayos UV, la cantidad de contenido orgánico eliminado fue inferior al 36%.

Según Schutzius, la recolección de niebla ya se ha implementado a gran escala en regiones áridas de todo el mundo. La implementación de un sistema de tratamiento paralelo puede resultar más desafiante porque la contaminación del aire puede diferir, tanto en su composición química como en sus concentraciones, de un lugar a otro. Pero es optimista en cuanto a que esto se puede solucionar mediante más pruebas del recubrimiento de polímero, lo que allanará el camino para la futura adopción del sistema de tratamiento.

"Primero habría que seleccionar la mezcla de contaminantes que viene con la niebla", dijo Schutzius. "Una vez que entiendas eso, no creo que nada se interponga entre tú y ampliarlo".

Los coautores del estudio son Adrien Baut y Giorgio Belleri del Laboratorio de Termofluídica Multifásica y Nanoingeniería de Superficies, Departamento de Ingeniería Mecánica y de Procesos, ETH Zurich; y Michael Kappl y Hans-Jürgen Butt del Departamento de Física de Interfaces, Instituto Max Planck para la Investigación de Polímeros.

Información adicional:

Comunicado de prensa de ETH Zurich: Recogiendo agua limpia de la niebla