Rivoluzionare la depurazione dell'acqua: il futuro della desalinizzazione solare con gli alberi artificiali

Alla ricerca di soluzioni innovative per la scarsità d'acqua, questo documento approfondisce l'affascinante idea di usare alberi artificiali per la desalinizzazione solare. Illustra in dettaglio i principi fisici, come l'adesione, la coesione e l'effetto capillare, su cui poggia questa tecnologia. Sfruttando la tensione superficiale e la naturale azione capillare osservata negli alberi, il documento delinea un possibile metodo per migliorare i processi di desalinizzazione. Questo approccio non solo promette efficienza energetica, ma trae anche ispirazione dalla natura per affrontare una delle sfide ambientali più urgenti del nostro tempo: la depurazione sostenibile dell'acqua.

L'adesione è lo stato fisico di uno strato interfacciale posto tra due fasi condensate che entrano in contatto, cioè solidi e liquidi con pressione di vapore trascurabile. Lo stato è caratterizzato da interazioni molecolari nello strato interfacciale, che causano la coesione meccanica delle fasi coinvolte. Nella maggior parte dei casi la coesione tra i materiali coinvolti si basa su interazioni fisiche. Se la superficie è sufficientemente ruvida, può verificarsi anche un incastro meccanico dei materiali. Se i materiali formano anche un legame chimico tra loro, di solito si crea un collegamento particolarmente forte e duraturo. Esempi di formazione di legami chimici tra leganti e determinati materiali sono silicone e vetro, poliuretano e legno, o resina epossidica e alluminio. In fisica e in chimica, la coesione indica le forze di legame tra atomi e molecole all'interno di una sostanza. Le forze ne garantiscono la coesione. Agiscono nei gas, nei liquidi o nei solidi e provocano la tensione superficiale sulle superfici di una sostanza liquida. L'effetto capillare descrive il comportamento dei liquidi nei capillari, cioè in tubi, fessure o cavità sufficientemente stretti con superfici non deformabili di materiali solidi. È determinato dalla tensione superficiale del liquido (coesione) e dalla tensione interfacciale tra il liquido e la superficie solida (adesione), ovvero dalla bagnabilità della superficie solida da parte del liquido. Poiché il peso del liquido è ridotto nelle cavità strette, la forza capillare prevale sulla gravità e aiuta, per esempio, gli alberi a far salire l'acqua fino a 100 metri dalle radici.

Altezza di risalita h nel capillare:

h = 2*σ*cos(θ) / ρ*g*r

σ = tensione superficiale

θ = angolo di contatto

ρ = densità del liquido

g = accelerazione di gravità

r = raggio del tubo

Per un tubo di vetro pieno d'acqua, aperto all'aria a livello del mare (1.013,25 hPa), si ha:

σ = 0,0728 J/m² a 20 °C

θ = 20° = 0,35 rad

ρ = 1000 kg/m³ g = 9,81 m/s²

Bagnatura: è la formazione di un'interfaccia tra un liquido e un solido.

La bagnabilità è la proprietà associata della superficie solida. Nel corso dei processi di bagnatura, l'area di contatto tra il liquido bagnante e la superficie solida bagnata aumenta finché si raggiunge uno stato statico, caratterizzato dall'esistenza di un'area di contatto costante. L'entità della bagnatura dipende dal tipo di liquido e dalla natura della superficie solida, come la sua composizione chimica e la sua rugosità. I fenomeni di bagnatura sono rilevanti per il rivestimento, la verniciatura e la stampa delle superfici, la distribuzione di erbicidi e insetticidi sui terreni agricoli, la filtrazione e la dispersione. Quando si parla di bagnatura si descrive il comportamento dei liquidi quando entrano in contatto con la superficie dei solidi. La proprietà associata della superficie del solido è la cosiddetta bagnabilità. Quanto un liquido bagni una superficie dipende da vari fattori, come il tipo di liquido, il materiale o la superficie, oppure lo stato della superficie. La bagnatura è direttamente legata alla tensione superficiale. Se la forza di coesione all'interno di una goccia d'acqua è inferiore alla forza di adesione rispetto alla superficie del solido, la goccia si diffonde sulla superficie del solido e questa è completamente bagnata. Se invece la forza di coesione è maggiore della forza di adesione, la goccia d'acqua assume una forma sferica e la superficie è appena bagnata. Molte superfici, anche quando sono pulite, hanno una bagnabilità insufficiente, aggravata dalla contaminazione, per cui i liquidi scivolano via da adesivi, vernici e pitture.

Questo accade perché la tensione superficiale è molto bassa e non è sufficiente per le lavorazioni successive. Quando si lavora materiale non trattato, spesso il risultato è che vernice e pittura non aderiscono correttamente e si staccano rapidamente, oppure che i pezzi incollati si separano. Ciò si può prevenire con l'attivazione al plasma. L'attivazione al plasma di una superficie ne aumenta l'energia superficiale e crea punti di ancoraggio per il liquido applicato. Questo significa che può aderire molto bene. L'attivazione al plasma modifica la superficie e accumula energia superficiale, con una bagnabilità della superficie decisamente migliore.

Più piccolo è l'angolo di contatto o la tensione superficiale, maggiore è la tendenza alla bagnatura.

La tensione superficiale è il fenomeno che si verifica nei liquidi a causa delle forze molecolari, che tendono a mantenere piccola la loro superficie. Questo effetto, per esempio, è ciò che fa formare gocce all'acqua e contribuisce alla capacità di alcuni insetti di camminare sull'acqua e a quella di una lametta da rasoio di «galleggiare» sull'acqua. La tensione superficiale (simbolo della formula: σ, γ) è una tensione interfacciale che si verifica tra liquidi e fasi gassose. Si misura nell'unità del SI N/m.

Tensione superficiale dell'acqua a 20 °C = 72,75 mN/m.

Definizione meccanica: la definizione meccanica si può spiegare usando una staffa di larghezza L in cui è tesa una pellicola di liquido. Se la pellicola di liquido viene allargata di dx da una forza F parallela alla superficie e perpendicolare a L, sulla pellicola viene compiuto un lavoro dW = F*dx e la superficie aumenta di dA = 2*L*dx (fattore 2 per il fronte e il retro della pellicola). La tensione superficiale è il rapporto γ = dW*dA = F*2*L. Di conseguenza, la tensione superficiale è una forza per unità di lunghezza diretta parallelamente alla superficie del liquido. La correttezza dell'idea di tensione superficiale come forza parallela alla superficie è dimostrata da numerosi metodi di misura ed effetti come il metodo dell'anello, la capillarità o l'angolo di contatto.

Il capillare bagnante (1) aspira l'acqua fino all'altezza di risalita h (2), che dipende dal diametro, ed è curvo verso il basso nella parte superiore. Il filtro bagnante (3) è più sottile in punta rispetto al capillare e l'angolo di contatto è molto piccolo, il che significa che il liquido trabocca e gocciola dalla parte inferiore del filtro.

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Che tratta anche di un albero artificiale (fonte scienceSketch):

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Autore: Markus Schrems