Revolucionar la purificación del agua: el futuro de la desalinización solar con árboles artificiales

Al explorar soluciones innovadoras para la escasez de agua, este documento se adentra en el fascinante concepto de utilizar árboles artificiales para la desalinización solar. Analiza con detalle los principios físicos, como la adhesión, la cohesión y el efecto capilar, que sustentan esta tecnología. Aprovechando la tensión superficial y la acción capilar natural que se observa en los árboles, el documento describe un posible método para mejorar los procesos de desalinización. Este enfoque no solo promete eficiencia energética, sino que además se inspira en la naturaleza para afrontar uno de los desafíos medioambientales más acuciantes de nuestro tiempo: la purificación sostenible del agua.

La adhesión es el estado físico de una capa interfacial situada entre dos fases condensadas que entran en contacto, es decir, sólidos y líquidos con una presión de vapor despreciable. El estado se caracteriza por las interacciones moleculares en la capa interfacial, que provocan la cohesión mecánica de las fases implicadas. En la mayoría de los casos, la cohesión entre los materiales implicados se basa en interacciones físicas. Si la superficie es lo bastante rugosa, también puede producirse un entrelazamiento mecánico de los materiales. Si además los materiales forman un enlace químico entre sí, normalmente se genera una unión especialmente fuerte y duradera. Ejemplos de formación de enlaces químicos entre aglutinantes y ciertos materiales son la silicona y el vidrio, el poliuretano y la madera, o la resina epoxi y el aluminio. En física y química, la cohesión se refiere a las fuerzas de unión entre los átomos y las moléculas dentro de una sustancia. Estas fuerzas aseguran su cohesión. Actúan en gases, líquidos o sólidos y dan lugar a la tensión superficial en las superficies de una sustancia líquida. El efecto capilar describe el comportamiento de los líquidos en capilares, es decir, en tubos, intersticios o cavidades suficientemente estrechos con superficies indeformables de materiales sólidos. Este viene determinado por la tensión superficial del líquido (cohesión) y la tensión interfacial entre el líquido y la superficie sólida (adhesión), o por la humectabilidad de la superficie sólida con el líquido. Como el peso del líquido es pequeño en cavidades estrechas, la fuerza capilar supera a la gravedad y ayuda, por ejemplo, a que los árboles hagan subir el agua hasta 100 metros desde las raíces.

Altura de ascenso h en un capilar:

h = 2*σ*cos(θ) / ρ*g*r

σ = tensión superficial

θ = ángulo de contacto

ρ = densidad del líquido

g = aceleración de la gravedad

r = radio del tubo

Para un tubo de vidrio lleno de agua y abierto al aire a nivel del mar (1013,25 hPa):

σ = 0,0728 J/m² a 20 °C

θ = 20° = 0,35 rad

ρ = 1000 kg/m³ g = 9,81 m/s²

Humectación: es la formación de una interfaz entre un líquido y un sólido.

La humectabilidad es la propiedad asociada de la superficie sólida. En el curso de los procesos de humectación, el área de contacto entre el líquido humectante y la superficie sólida humedecida aumenta hasta alcanzar un estado estático, caracterizado por la existencia de un área de contacto constante. El grado de humectación depende del tipo de líquido y de la naturaleza de la superficie sólida, como su composición química y su rugosidad. Los fenómenos de humectación son relevantes para el recubrimiento, el pintado y la impresión de superficies, la distribución de herbicidas e insecticidas en terrenos agrícolas, la filtración y la dispersión. Cuando se habla de humectación, se describe el comportamiento de los líquidos cuando entran en contacto con la superficie de los sólidos. La propiedad asociada de la superficie del sólido es la llamada humectabilidad. El grado en que un líquido humedece una superficie depende de diversos factores, como el tipo de líquido, el material o la superficie, o el estado de la superficie. La humectación está directamente relacionada con la tensión superficial. Si la fuerza de cohesión dentro de una gota de agua es menor que la fuerza de adhesión respecto a la superficie del sólido, la gota se extiende sobre la superficie del sólido y esta queda completamente humedecida. En cambio, si la fuerza de cohesión es mayor que la fuerza de adhesión, la gota de agua adopta una forma esférica y la superficie apenas se humedece. Muchas superficies, incluso limpias, tienen una humectabilidad insuficiente, que se agrava con la contaminación, lo que hace que los líquidos resbalen sobre adhesivos, barnices y pinturas.

Esto se debe a que la tensión superficial es muy baja y no es suficiente para un procesamiento posterior. Cuando se procesa material sin tratar, el resultado suele ser que la pintura y el barniz no se adhieren correctamente y se desprenden con rapidez, o que las piezas pegadas se separan. Esto puede evitarse con la activación por plasma. La activación por plasma de una superficie aumenta su energía superficial y crea puntos de anclaje para el líquido aplicado. Esto significa que puede adherirse muy bien. La activación por plasma modifica la superficie y genera energía superficial, lo que da lugar a una humectabilidad de la superficie notablemente mejor.

Cuanto menor es el ángulo de contacto o la tensión superficial, mayor es la tendencia a la humectación.

La tensión superficial es el fenómeno que se produce en los líquidos como consecuencia de fuerzas moleculares para mantener pequeña su superficie. Este efecto es, por ejemplo, lo que hace que el agua forme gotas y contribuye a que algunos insectos puedan caminar sobre el agua y a que una hoja de afeitar «flote» en ella. La tensión superficial (símbolo: σ, γ) es una tensión interfacial que se produce entre los líquidos y las fases gaseosas. Se mide en las unidades del SI N/m.

Tensión superficial del agua a 20 °C = 72,75 mN/m.

Definición mecánica: la definición mecánica puede explicarse con un soporte de anchura L en el que se sujeta una película de líquido. Si la película de líquido se estira una distancia dx mediante una fuerza F paralela a la superficie y perpendicular a L, se realiza un trabajo sobre la película dW = F*dx y la superficie crece dA = 2*L*dx (el factor 2 se debe a la cara anterior y posterior de la película). La tensión superficial es la relación γ = dW*dA = F*2*L. En consecuencia, la tensión superficial es una fuerza por unidad de longitud dirigida paralelamente a la superficie del líquido. La corrección de la idea de la tensión superficial como una fuerza paralela a la superficie queda demostrada en numerosos métodos de medición y efectos, como el método del anillo, la capilaridad o el ángulo de contacto.

El capilar humectante (1) aspira el agua hasta la altura de ascenso h (2), que depende del diámetro, y está curvado hacia abajo en la parte superior. El tamiz humectante (3) es más delgado en la punta que el capilar y el ángulo de contacto es muy pequeño, lo que hace que el líquido se desborde y gotee por la parte inferior del tamiz.

Más información en https://www.nature.com/articles/s41598-019-57109-z

Que trata también de un árbol artificial (fuente scienceSketch):

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Autor: Markus Schrems