L'evaporazione interfacciale a energia solare (SIE) è considerata una delle tecnologie più promettenti per alleviare la carenza di acqua dolce grazie alla sua capacità di utilizzare in modo efficiente l'energia solare per produrre acqua dolce. Inoltre, gli evaporatori solari presentano vantaggi unici nel trattamento di acque reflue concentrate ricche di sali . Il processo di evaporazione produce come sottoprodotto solo cristalli di sale, ottenendo così uno scarico liquido pari a zero. Tuttavia, l'accumulo di sale nell'evaporatore ostacola l'assorbimento della luce e influisce sulla fuoriuscita del vapore, portando in definitiva a una diminuzione delle prestazioni di evaporazione dell'evaporatore o addirittura al suo guasto.
Per alleviare questo problema, alcuni ricercatori hanno proposto una strategia di "circolazione del sale". In altre parole, si progetta un percorso di circolazione per la soluzione che consenta agli ioni del sale di rifluire nella salamoia, impedendo così la cristallizzazione del sale sulla superficie di evaporazione e ottenendo così un'evaporazione continua e stabile. Tuttavia, questo metodo causa un aumento della salinità della soluzione e il problema della cristallizzazione del sale rimane inevitabile.
Un'altra soluzione è la strategia del "salting out". In altre parole, la struttura viene regolata in modo che il sale cristallizzi preferibilmente nella zona di non evaporazione, riducendo così l'impatto della cristallizzazione del sale sulle prestazioni di evaporazione e ottenendo così la raccolta simultanea di acqua salata e acqua dolce. Tuttavia, la strategia del "salting out" presenta ancora alcune gravi difficoltà nell'applicazione pratica.
In primo luogo, il trasporto unidimensionale della salamoia limita la capacità di assorbimento, riducendo significativamente la velocità di evaporazione complessiva. In secondo luogo, la strategia di cristallizzazione del sale richiede la rimozione regolare dei cristalli di sale, che sono difficili da staccare automaticamente dalla superficie dell'evaporatore a causa della loro forte adesione. Se il sale depositato non viene rimosso in tempo, le prestazioni di evaporazione saranno inevitabilmente ridotte. Inoltre, molti evaporatori solari ad alta efficienza richiedono processi di preparazione pericolosi o dispendiosi in termini di tempo, come trattamenti termici ad alta pressione, basso vuoto o alta temperatura.
Pertanto, sviluppare un evaporatore solare durevole per ottenere un'evaporazione dell'acqua e una raccolta del sale efficienti, stabili e durature attraverso un semplice processo di preparazione per la desalinizzazione a scarico zero di liquidi è un obiettivo scientifico non raggiunto.
Sulla base delle sfide sopra menzionate, il team di ricerca della Shandong First Medical University ha preparato un evaporatore aerogel a spirale in grafene a gradiente tridimensionale, in grado di ottenere un'evaporazione solare efficiente di acqua salata ad alta concentrazione e di ottenere uno scarico di liquido pari a zero.
Per soddisfare i severi requisiti degli evaporatori solari in termini di assorbimento solare efficiente, pieno utilizzo dell'energia, eccellente resistenza al sale e stabilità a lungo termine, la progettazione si concentra principalmente sui seguenti quattro punti chiave:
Concentrarsi sulla progettazione strutturale e sul miglioramento della stabilità chimica
L'evaporatore deve possedere una struttura reticolare robusta e una stabilità chimica, elementi cruciali per ottenere una desalinizzazione solare efficiente e stabile a lungo termine. Pertanto, è stata scelta una schiuma di melammina a basso costo, superidrofila, ad alta porosità e ad elevata resilienza come struttura portante dell'evaporatore solare.
Hanno poi studiato le proprietà meccaniche degli aerogel di grafene con schiuma di melammina come scheletro in molteplici modalità, tra cui compressione, flessione e tensione, per valutarne in modo completo le proprietà meccaniche.
Per verificarne ulteriormente la robustezza e la durata in condizioni applicative reali, il team di ricerca ha condotto test in diverse condizioni estreme.
Nello specifico, hanno ripetutamente piegato il campione 20 volte in aria e in acqua, lo hanno immerso in soluzioni acide e alcaline e lo hanno posto in ambienti ostili come alte temperature e agitazione ultrasonica.
Dopo questi rigorosi test, non sono stati riscontrati cambiamenti significativi nell'aspetto e nella microstruttura del campione, il che ha dimostrato pienamente la sua eccellente durabilità e stabilità strutturale.
Focus sulla semplificazione e sul miglioramento economico dei processi produttivi
Per ottenere semplicità ed economicità nel processo di produzione dell'evaporatore ed evitare l'uso di attrezzature costose, hanno progettato le seguenti fasi di preparazione:
Il primo passaggio è la pressatura a caldo
Utilizzando la tecnologia dello stampaggio a caldo, il team di ricerca ha compresso schiume melamminiche di diversi spessori per ottenere una pellicola melamminica prepressa con uno spessore di 1 mm.
Durante questo processo, all'aumentare del rapporto tra lo spessore originale del campione e lo spessore finale compresso, la dimensione dei pori del film di melammina pre-pressato viene finemente regolata da 150 μm a 20 μm , formando un'esclusiva struttura a rete tridimensionale a gradiente.
Il secondo passaggio è la spruzzatura superficiale
Utilizzare un flacone spray per spruzzare uniformemente la sospensione di ossido di grafene sulla superficie della pellicola di melammina pre-pressata . Si è così ottenuta una distribuzione uniforme dell'ossido di grafene nella pellicola, ponendo le basi per la successiva riduzione solare.
Il terzo passaggio è l'essiccazione a pressione atmosferica
Dopo la spruzzatura, hanno esposto la pellicola direttamente all'aria per l'essiccazione naturale. Questo passaggio evita i complessi processi di preparazione, lunghi e dispendiosi in termini di energia, come la liofilizzazione, l'essiccazione supercritica e la sostituzione del solvente.
Il quarto passo è la riduzione della luce solare
Ovvero, utilizzando una lente d'ingrandimento per focalizzare la luce solare sul campione. Sotto l'azione dei raggi ultravioletti, il colore della superficie del campione cambia rapidamente dal marrone al nero, indicando che l'ossido di grafene è stato ridotto con successo a ossido di grafene ridotto.
Questo metodo di riduzione solare non è solo semplice da utilizzare e rispettoso dell'ambiente, ma non richiede nemmeno l'uso di agenti riducenti chimici o processi di riduzione termica ad alta temperatura, riducendo significativamente i costi di produzione e l'inquinamento ambientale.
Concentrarsi sull'assorbimento efficiente dell'energia solare e sulla minimizzazione delle perdite di energia
Gli evaporatori solari non devono solo assorbire e convertire un'ampia gamma di energia solare in energia termica, ma anche ridurre al minimo le perdite di energia causate dalla riflessione diffusa e dalla radiazione termica, e catturare ulteriore energia dall'ambiente. Il processo di evaporazione all'interfaccia solare è controllato da tre flussi energetici: energia solare in ingresso, energia di evaporazione in uscita ed energia dissipata nell'ambiente.
Purtroppo, gli evaporatori solari bidimensionali convenzionali presentano problemi di dissipazione energetica dovuti allo scambio termico con l'ambiente circostante, rendendo difficile raggiungere l'efficienza di conversione solare-vapore ideale del 100%. Al contrario, gli evaporatori solari tridimensionali possono superare il limite teorico di efficienza di conversione solare-vapore.
Per ridurre la perdita di energia causata dalla riflessione diffusa e dalla radiazione termica sulla superficie superiore del campione tridimensionale, il team ha progettato un aerogel di grafene tridimensionale a spirale concava.
Questa struttura non solo ha un potere di assorbimento più elevato e una minore riflettività, ma le sue pareti laterali sono anche in grado di assorbire il calore ambientale e il calore riflesso diffusamente dal fondo, consentendo così un efficace recupero di energia.
Concentrarsi sull'ottimizzazione della tolleranza al sale e sulla gestione della cristallizzazione del sale
In altre parole, progettando un canale di trasporto unico, si favorisce il trasporto radiale della salamoia, che porta alla cristallizzazione direzionale del sale. Questa progettazione non solo previene efficacemente il deposito e l'intasamento del sale sulla superficie dell'evaporatore, ma ne consente anche la raccolta e l'utilizzo efficaci, migliorando significativamente l'efficienza e la sostenibilità del processo di desalinizzazione.
Nello specifico, hanno progettato e preparato una struttura di rete di grafene a gradiente tridimensionale basata su una pellicola porosa di melammina pre-pressata . Questa rete di grafene a gradiente, più rada all'interno e più densa all'esterno, può creare una differenza di forza capillare radiale, che favorisce il trasporto radiale della salamoia. Man mano che viene generato vapore, il flusso radiale della salamoia aumenta la sua concentrazione sulla superficie esterna, causando la cristallizzazione direzionale del sale sulla superficie esterna piuttosto che su quella interna. Questa configurazione garantisce che la superficie interna dell'evaporatore mantenga un'area di evaporazione sufficiente, consentendo così un'evaporazione solare efficiente e stabile.
Vale la pena sottolineare che l'evaporatore sfrutta l'intera superficie esterna per la cristallizzazione del sale, rendendo l'area di cristallizzazione molto più ampia rispetto ad altri evaporatori a cristallizzazione direzionale.
I cristalli di sale sono composti principalmente da cristalli di sale poco compatti, dotati di abbondanti pori, che favoriscono il trasporto della salamoia e il rilascio del vapore.
Inoltre, grazie all'effetto di raffreddamento evaporativo, la temperatura superficiale dello strato di sale è inferiore a quella ambiente. Questa caratteristica consente all'evaporatore di assorbire più energia dall'ambiente, migliorando ulteriormente le prestazioni di evaporazione.
Fonte dell'articolo: Deep Tech
Il gruppo di ricerca: Shandong First Medical University Team Research Group
L'articolo è tratto da: https://www.163.com/dy/article/J1RENDEH05119734.html
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