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Generador de agua atmosférica

Un generador atmosférico de agua ( AWG ), es un dispositivo que extrae agua del aire húmedo del ambiente, produciendo agua potable . El vapor de agua en el aire se puede extraer mediante condensación : enfriando el aire por debajo de su punto de rocío , exponiendo el aire a desecantes , usando membranas que solo dejan pasar vapor de agua, recolectando niebla, [1] o presurizando el aire. Los AWG son útiles cuando es difícil obtener agua potable, porque el agua siempre está presente en el aire ambiente.

AWG puede requerir importantes aportes de energía o funcionar de forma pasiva, dependiendo de las diferencias naturales de temperatura . Los estudios de biomímesis han demostrado que el escarabajo Onymacris unguicularis tiene la capacidad natural de realizar esta tarea. [2]

Historia

"Atrapanieblas" o recolección de niebla en Alto Patache, Desierto de Atacama , Chile .

Los incas pudieron sostener su cultura por encima de la línea de lluvia recolectando rocío y canalizándolo hacia cisternas para su posterior distribución. [3] Los registros históricos indican el uso de vallas antiniebla que recogen agua . Estos métodos tradicionales generalmente han sido completamente pasivos, no emplean ninguna fuente de energía externa y dependen de variaciones de temperatura que ocurren naturalmente. [ cita necesaria ]

Los pozos de aire son una forma de recolectar pasivamente la humedad del aire.

La tecnología de extracción de salmuera fue contratada por el ejército y la marina de los EE. UU. a Terralab y a la Agencia Federal para el Manejo de Emergencias (FEMA). [4]

El programa de Extracción de Agua Atmosférica de DARPA tiene como objetivo desarrollar un dispositivo que pueda proporcionar agua a 150 soldados y ser transportado por cuatro personas. En febrero de 2021, General Electric recibió 14 millones de dólares para continuar con el desarrollo de su dispositivo. [5]

En 2022, se demostró que un desecante a base de celulosa / goma konjac producía 13 L/kg/día (1,56 gal EE.UU./lb/día) de agua con un 30% de humedad y 6 L/kg/día (0,72 gal EE.UU./lb /día) al 15% de humedad. [6]

Tecnologías

Los sistemas basados ​​en refrigeración son los más comunes, mientras que los sistemas higroscópicos se muestran prometedores. Los sistemas híbridos combinan adsorción , refrigeración y condensación. [7] [8]

Condensación de refrigeración

Ejemplo de proceso de enfriamiento-condensación.

Los sistemas de condensación son la tecnología más común en uso.

Un tipo AWG de condensación de enfriamiento utiliza un compresor para hacer circular el refrigerante a través de un condensador y luego un serpentín del evaporador que enfría el aire circundante. Una vez que la temperatura del aire alcanza su punto de rocío , el agua se condensa en el colector. Un ventilador empuja el aire filtrado sobre el serpentín. Un sistema de purificación/filtración mantiene el agua pura y reduce el riesgo que suponen los microorganismos ambientales. [9]

La tasa de producción de agua depende de la temperatura ambiente, la humedad, el volumen de aire que pasa sobre el serpentín y la capacidad de la máquina para enfriar el serpentín. Los AWG se vuelven más efectivos a medida que aumentan la humedad relativa y la temperatura del aire. Como regla general, los AWG de condensación de refrigeración no funcionan de manera eficiente cuando la temperatura ambiente cae por debajo de 18,3 °C (65 °F) o la humedad relativa cae por debajo del 30 %. La rentabilidad de un AWG depende de la capacidad de la máquina, las condiciones locales de humedad y temperatura y los costos de energía.

El efecto Peltier de los materiales semiconductores ofrece un sistema de condensación alternativo en el que un lado del material semiconductor se calienta mientras el otro se enfría. En esta aplicación, el aire pasa por los ventiladores de refrigeración del lado que enfría, lo que reduce la temperatura del aire. Los semiconductores de estado sólido son convenientes para unidades portátiles, pero esto se ve compensado por su baja eficiencia y su alto consumo de energía. [10]

La generación de agua potable se puede mejorar en condiciones de baja humedad utilizando un enfriador evaporativo con suministro de agua salobre para aumentar la humedad. Un caso especial es la generación de agua en los invernaderos porque el aire interior es mucho más caliente y húmedo. Los ejemplos incluyen el invernadero de agua de mar en Omán y el invernadero IBTS .

En la deshumidificación de aires acondicionados , el agua no potable es un subproducto. El serpentín del evaporador relativamente frío (por debajo del punto de rocío) condensa el vapor de agua del aire procesado.

Cuando se alimenta con electricidad a base de carbón, tiene una de las peores huellas de carbono de cualquier fuente de agua (superando a la desalinización de agua de mar por ósmosis inversa en tres órdenes de magnitud ) y demanda más de cuatro veces más agua en la cadena de suministro de la que entrega al consumidor. usuario. [11]

Quizás el método más eficiente y sostenible sea utilizar un refrigerador de adsorción alimentado por energía solar térmica, que supera a los sistemas fotovoltaicos. [12] Estos sistemas también pueden tener usos beneficiosos para el calor residual, por ejemplo, para bombeo o para funcionamiento nocturno, donde la humedad tiende a aumentar.

higroscopia

Las técnicas higroscópicas extraen agua del aire mediante absorción o adsorción . Estos materiales desecan el aire. Los desecantes pueden ser líquidos ("húmedos") o sólidos. Es necesario regenerarlos (normalmente térmicamente) para recuperar el agua.

Desecantes húmedos

Ejemplos de desecantes líquidos incluyen cloruro de litio , bromuro de litio , [13] cloruro de calcio , cloruro de magnesio , formiato de potasio , trietilenglicol y [EMIM][OAc]. [14]

Otro desecante húmedo es la salmuera concentrada . La salmuera absorbe agua, que luego se extrae y se purifica. Un dispositivo portátil funciona con un generador . Las versiones grandes, montadas en remolques, producen hasta 1200 galones estadounidenses (4500 L) de agua por día, en una proporción de hasta 5 galones de agua por galón de combustible. [15]

Otra variación afirma ser más respetuosa con el medio ambiente, al depender de la energía solar pasiva y la gravedad . La salmuera concentrada fluye por el exterior de las torres, absorbiendo vapor de agua. Luego, la salmuera ingresa a una cámara, se somete a un vacío parcial y se calienta, liberando vapor de agua que se condensa y se recoge. A medida que el agua condensada se elimina del sistema mediante gravedad, se crea un vacío que reduce el punto de ebullición de la salmuera. [dieciséis]

Desecantes sólidos

El gel de sílice y la zeolita desecan el aire a presión. Se están desarrollando dispositivos de generación directa de agua potable utilizando la luz solar. [17] Un dispositivo necesita 310 vatios-hora (1100 kJ) para producir 1 litro de agua. Utiliza una estructura organometálica /orgánica de circonio sobre una base de cobre poroso, unida a un sustrato de grafito. El sol calienta el grafito, liberando agua, que luego enfría el grafito. [18]

Celdas de combustible

Un automóvil de pila de combustible de hidrógeno genera un litro de agua de calidad potable por cada 12,87 kilómetros recorridos combinando hidrógeno con oxígeno ambiental. [19]

Fuerza

La energía mínima para la recolección de agua atmosférica [1]

A menos que el aire esté sobresaturado de vapor, se requiere un aporte de energía para recolectar agua de la atmósfera. La energía necesaria depende en gran medida de la humedad y la temperatura. Se puede calcular utilizando la energía libre de Gibbs.

Se puede generar agua potable mediante hidropaneles solares en los tejados utilizando energía solar y calor solar. [20] [21] [22]

Los hidrogeles se pueden utilizar para capturar la humedad (por ejemplo, durante la noche en un desierto) para enfriar los paneles solares [23] o para producir agua dulce [24] [25] , incluso para regar cultivos, como se demuestra en los sistemas integrados de paneles solares donde estos han sido cerrados. al lado de [26] [27] o debajo de los paneles dentro del sistema. [28] [29] [30] [31] [32] [33]

Un estudio informó que tales dispositivos podrían ayudar a proporcionar agua potable a mil millones de personas, aunque la generación fuera de la red podría "socavar los esfuerzos para desarrollar infraestructura de tuberías permanentes ". [34] [35] [36]

Ver también

Referencias

  1. ^ ab Rao, Akshay K.; Arreglar, Andrew J.; Yang, Yun Chi; Warsinger, David M. (2022). "Límites termodinámicos de la captación de agua atmosférica". Energía y ciencias ambientales . 15 (10). Real Sociedad de Química (RSC): 4025–4037. doi :10.1039/d2ee01071b. ISSN  1754-5692. S2CID  252252878.
  2. ^ Norgaard, Thomas; Dacke, Marie (16 de julio de 2010). "Comportamiento de la niebla y eficiencia de recolección de agua en los escarabajos Darkling del desierto de Namib". Fronteras en Zoología . 7 (1): 23. doi : 10.1186/1742-9994-7-23 . ISSN  1742-9994. PMC 2918599 . PMID  20637085. 
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  6. ^ Irving, Michael (24 de mayo de 2022). "La película de gel barata extrae de la nada cubos de agua potable al día". Nuevo Atlas . Consultado el 4 de junio de 2022 .
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