Come metodo sostenibile per l'utilizzo delle risorse idriche, la desalinizzazione solare ha un grande potenziale per risolvere il problema dell'insufficiente disponibilità di acqua dolce e alleviare la scarsità d'acqua. Tuttavia, la tradizionale tecnologia di desalinizzazione dell'acqua di mare presenta spesso problemi come l'elevato consumo energetico, la complessità delle apparecchiature e i costi elevati.
Negli ultimi anni, nuove tecnologie di rivestimento per la desalinizzazione basate su nanomateriali hanno gradualmente attirato l'attenzione dei ricercatori. Il grafene ridotto con ossido di grafene, come nuovo materiale bidimensionale, ha mostrato un potenziale significativo nella desalinizzazione solare.
Rispetto ai tradizionali materiali di rivestimento per la desalinizzazione, rGO presenta i vantaggi di un'eccellente conduttività, un'elevata superficie specifica e una buona stabilità chimica, e si prevede che migliorerà l'efficienza della desalinizzazione e ridurrà il consumo di energia.
Tuttavia, il rGO stesso presenta problemi di aggregazione e deposizione, che ne riducono l'attività e la stabilità. Pertanto, il fissaggio del rGO su materiali schiumosi per formare un rivestimento composito di schiuma di melammina /rGO è diventato un metodo efficace per migliorare l'efficienza e la stabilità della desalinizzazione.
Modificando la superficie e rafforzando le proprietà portanti del materiale schiumogeno, abbiamo fissato uniformemente l'rGO sulla superficie della schiuma per aumentarne l'area di contatto con gli ioni di sale presenti nell'acqua. Allo stesso tempo, la struttura e lo spessore del rivestimento in rGO sono stati controllati per ottimizzare l'efficienza e la stabilità della desalinizzazione.
Per approfondire la comprensione del meccanismo di desalinizzazione, abbiamo anche preparato una schiuma di ossido di grafene ridotto (rGO). La schiuma melamminica rivestita di triossido di grafene presenta una microstruttura porosa intrinseca e un'idrofilia che le consentono una buona bagnabilità e la capacità di attrarre acqua nella zona di evaporazione, consentendo un rapido reintegro dell'acqua ed evitando la precipitazione salina.
Il sistema di evaporazione interfacciale in schiuma melamminica rivestita di ossido di grafene può raggiungere un'efficienza di evaporazione a regime stazionario dell'89.6% con un consumo di combustibile solare di 1 kW m−2. Questo sistema di evaporazione interfacciale presenta un'elevata efficienza di conversione solare in calore e una buona stabilità a lungo termine, dimostrando il suo potenziale per la desalinizzazione commerciale dell'acqua di mare.
Attualmente, la crisi energetica globale e la carenza idrica sono diventate gravi minacce per lo sviluppo sostenibile della società umana. Per soddisfare la crescente domanda di energia, lo sviluppo di diverse tecnologie ad alte prestazioni per la conversione dell'energia e la purificazione dell'acqua ha ricevuto crescente attenzione.
Tecnologia di evaporazione interfacciale alimentata dall'energia solare
L'energia solare è una promettente fonte di energia rinnovabile grazie alla sua capacità estremamente elevata, all'universalità, alla purezza e alle capacità di conversione multifunzionali. Ha dimostrato il potenziale per sostituire i combustibili fossili trattenuti dai combustibili fossili.
Oltre alla tecnologia solare fotovoltaica che genera direttamente energia elettrica, la tecnologia di conversione dell'energia solare-termica assorbe anche l'energia solare e la converte in energia termica, il che è considerato un modo semplice ed efficace per utilizzare l'energia solare.
L'energia termica convertita dall'energia solare può alimentare importanti processi industriali come centrali solari termiche, dissalazione solare, sterilizzazione, sistemi solari termici e altre applicazioni legate al calore. La dissalazione solare offre una soluzione efficace, soprattutto per le aree prive di infrastrutture, perché può estrarre acqua dolce dall'acqua di mare senza ulteriore apporto energetico.
Negli ultimi anni, la tecnologia di evaporazione interfacciale a energia solare localizza il processo di conversione del calore solare all'interfaccia liquido-vapore, affermandosi come una nuova tecnologia di utilizzo dell'energia solare. Rispetto al tradizionale riscaldamento integrale, i sistemi di evaporazione interfacciale presentano una maggiore efficienza di evaporazione e una risposta termica più rapida, rappresentando una potenziale alternativa alla desalinizzazione dell'acqua di mare.
Finora sono stati condotti numerosi studi per migliorare le prestazioni termiche dei sistemi di evaporazione interfacciale. Un tipico sistema di evaporazione interfacciale a energia solare è costituito da tre parti principali:
Un assorbitore solare con elevato assorbimento solare che converte efficacemente la radiazione solare in energia termica; un isolante che trasferisce il calore convertito all'acqua in massa; e un percorso di alimentazione dell'acqua che aspira continuamente l'acqua dall'acqua in massa verso la superficie dell'assorbitore solare.
In studi precedenti, un gran numero di ricercatori si è dedicato al miglioramento dell'efficienza complessiva della conversione solare in vapore, sintetizzando materiali ad ampio spettro in grado di assorbire l'energia solare, ottimizzando la progettazione di nuovi percorsi di approvvigionamento idrico e migliorando le strutture di isolamento termico.
Finora, i sistemi di evaporazione interfacciale a energia solare sono stati utilizzati in numerosi processi industriali, tra cui la distillazione solare indotta, la sterilizzazione solare, la desalinizzazione solare e la produzione di energia solare. Per ottenere elevate prestazioni di evaporazione del sistema, è importante esplorare l'assorbimento a banda larga lungo tutto lo spettro solare dei materiali assorbenti.
I materiali assorbenti l'energia solare sviluppati ed esplorati nei sistemi di evaporazione interfacciale a energia solare includono principalmente materiali carboniosi, particelle plasmoniche e materiali assorbenti spettralmente selettivi. Tra questi, i materiali neri naturali e carboniosi presentano elevate capacità di conversione del calore solare e sono adatti per assorbitori solari a banda larga e ad alta intensità.
Grazie all'elevato tasso di assorbimento solare, al basso costo e alla buona stabilità, sono stati studiati numerosi assorbitori solari a base di carbonio, tra cui nanotubi di carbonio, grafite e ossido di grafene ridotto. Dopo anni di sviluppo, l'efficienza di conversione solare-vapore del sistema, in condizioni di luce naturale, ha raggiunto oltre il 90%.
Nonostante i notevoli progressi nello sviluppo di materiali per l'assorbimento dell'energia solare e nella progettazione di strutture di evaporazione interfacciale, la maggior parte dei dispositivi di dissalazione solare precedentemente segnalati era dovuta all'accumulo di sale sulla superficie superiore dell'evaporatore durante il processo di dissalazione. Il sale accumulato blocca l'assorbimento solare e ostruisce l'evaporatore poroso, con conseguente bassa efficienza di conversione solare in calore e scarse prestazioni di evaporazione.
Per rimuovere i sali accumulati si utilizzano generalmente metodi fisici tradizionali, come le onde ultrasoniche e l'immersione in acqua, ma questi metodi possono facilmente danneggiare la struttura di evaporazione dell'interfaccia.
Per ridurre l'accumulo di sale nei sistemi di evaporazione interfacciale, molti studi si sono concentrati sullo sviluppo dell'evaporazione idrofobica. Tuttavia, gli evaporatori idrofobici limitano l'apporto d'acqua alla superficie superiore, riducendo così le prestazioni evaporative del sistema. Un altro modo per risolvere questo problema è utilizzare un evaporatore idrofilo, che sposta il sale in eccesso dalla superficie superiore all'acqua presente nel liquido.
Finora, molti studi si sono concentrati sulla progettazione di evaporatori idrofili, come membrane in tessuto di cellulosa idrofila, membrane idrofile a base di carta ed evaporatori bioispirati. Tuttavia, lo sviluppo di un sistema di evaporazione interfacciale a energia solare stabile e altamente efficiente a lungo termine rimane una sfida significativa.
In questo studio, dimostriamo una schiuma di ossido di grafene ridotto (rGO) resistente al sale, ad alta efficienza nell'assorbimento solare e a rapida risposta termica per la desalinizzazione interfacciale a energia solare in condizioni di illuminazione solare a bassa fluorescenza.
Nella nuova struttura porosa, come base è stata scelta una schiuma di melammina idrofila (MF) , che non solo amplia la superficie per l'assorbimento solare, ma migliora anche la diffusione multipla.
L'idrofilia superficiale e la porosità della schiuma melamminica rivestita con ossido di grafene ridotto garantiscono una sufficiente bagnatura e fusione della zona di conversione del calore solare, nonché un rapido reintegro dell'acqua, evitando al contempo l'accumulo di sali.
Sfruttando le elevate prestazioni della schiuma melamminica rivestita con ossido di grafene ridotto, il sistema interfacciale alimentato ad energia solare è in grado di raggiungere un tasso di conversione da energia solare a vapore dell'89.6%.
Inoltre, integrando la schiuma melamminica rivestita con ossido di grafene ridotto nell'energia solare commerciale, abbiamo progettato e realizzato un dispositivo di desalinizzazione interfacciale dell'acqua di mare a energia solare con un'efficienza di conversione solare-acqua del 56.4% in condizioni di luce solare. Grazie alla desalinizzazione solare, l'acqua pulita raccolta è di qualità potabile.
Grazie alle prestazioni di evaporazione superiori e alla scalabilità dei materiali di conversione solare-termica, questo sistema per la dissalazione interfacciale dell'acqua di mare a energia solare presenta ampie prospettive di applicazione nelle applicazioni pratiche della dissalazione dell'acqua di mare.
Scalabilità dei materiali di trasferimento del calore per la dissalazione solare
Un sistema di evaporazione interfacciale basato su schiuma melamminica rivestita con ossido di grafene ridotto. La schiuma melamminica rivestita con ossido di grafene è al centro ed è avvolta da uno strato di schiuma di polietilene (PE) all'esterno per creare un sistema di evaporazione interfacciale auto-bollente.
La schiuma melamminica rivestita con ossido di grafene ridotto al tellurio viene utilizzata per assorbire rapidamente la radiazione solare incidente, convertire l'energia solare in calore e generare una forza motrice per l'evaporazione interfacciale. D'altra parte, la schiuma melamminica rivestita con ossido di grafene ridotto idrofilo può attirare continuamente salamoia nella zona di evaporazione.
La struttura porosa della schiuma melamminica rivestita di triossido di grafene consente al vapore generato di disperdersi nell'ambiente, favorendo la cattura della luce solare e aumentando così l'efficienza della conversione solare in calore. La schiuma melamminica rivestita di ossido di grafene ridotto è porosa e idrofila, il che le consente di attirare l'acqua nella struttura di evaporazione sopra descritta, scomponendo contemporaneamente i sali concentrati e restituendoli all'acqua di mare.
Durante il processo di evaporazione, la concentrazione di sale sulla schiuma è superiore alla concentrazione di acqua di mare sul fondo. Le variazioni di concentrazione provocano la dissoluzione del sale nell'acqua circostante. Inoltre, la schiuma di polietilene circostante non solo riduce la schiuma di melammina rivestita di ossido di grafene , ma si accumula naturalmente sulla superficie dell'acqua, inibendo la dispersione di calore causata dall'acqua salata circostante.
I sistemi di evaporazione interfacciale possono operare in modo continuo ed efficiente sulle superfici acquatiche senza la necessità di complesse progettazioni costruttive. Inoltre, poiché l'evaporazione avviene all'interfaccia gas-liquido, il sistema di evaporazione interfacciale può muoversi autonomamente quando l'interfaccia si ritira.
La schiuma melamminica rivestita con ossido di grafene ridotto al tellurio è un componente chiave del sistema di evaporazione interfacciale. La schiuma melamminica è stata immersa in una sospensione colloidale di ossido di grafene per preparare la schiuma melamminica rivestita con ossido di grafene ridotto, e l'ossido di grafene è stato quindi ridotto in ossido di grafammina ridotto utilizzando un metodo idrotermico.
La schiuma melamminica rivestita con ossido di grafene ridotto, con un diametro di 3.5 cm e uno spessore di 1.6 cm, è facile da produrre e il suo colore è nero intenso.
La rugosità superficiale del materiale in schiuma melamminica rivestito con ossido di grafene ridotto, osservata al microscopio ottico tridimensionale, ha mostrato una variazione di altezza di oltre 300 μm. La struttura superficiale ruvida dei compositi di conversione solare termica è principalmente attribuita alla struttura porosa della schiuma melamminica, e l'ossido di grafene ridotto modificato ne aumenta ulteriormente la rugosità superficiale.
La rugosità superficiale amplifica l'area di assorbimento solare, aumentando al contempo la diffusione multipla della luce solare incidente, migliorando così l'efficienza di conversione solare in calore del sistema. Microstruttura della schiuma melamminica preparata a diversi ingrandimenti. La superficie della schiuma melamminica rivestita di ossido di grafene presenta una struttura reticolare rugosa e interconnessa.
La dimensione dei pori della schiuma melamminica rivestita con rGO è compresa tra 20 e 40 μm. La struttura a pori aperti e la superficie rugosa facilitano la deposizione dell'ossido di grafene. La schiuma melamminica rivestita con ossido di grafene ridotto presenta una buona bagnabilità in acqua grazie all'idrofilia della schiuma melamminica porosa.
Una volta che una goccia d'acqua tocca la superficie della schiuma melamminica rivestita con ossido di grafene ridotto, viene completamente assorbita entro 0.5 secondi. La superficie idrofila dei compositi di ossido di grafene ridotto può guidare rapidamente il drenaggio all'interno della struttura porosa. La porosità della schiuma melamminica rivestita con ossido di grafene ridotto è stata determinata confrontando le variazioni di massa prima e dopo l'assorbimento d'acqua.
La porosità della schiuma melamminica rivestita con ossido di grafene può raggiungere l'85.55%. L'assorbimento di energia solare da parte della schiuma melamminica rivestita con ossido di grafene ridotto influisce direttamente sull'efficienza di conversione solare in calore del sistema. Per valutare la resistenza al sale, la schiuma melamminica rivestita con ossido di grafene ridotto è stata immersa in una soluzione di cloruro di sodio (3.5% in peso).
Successivamente, sono stati posizionati 3 g di cloruro di sodio solido sulla superficie superiore e la schiuma melamminica rivestita con Tergo è stata applicata a una densità solare di 1 kW m−2. La quantità di sale solido si dissolve gradualmente dopo 120 minuti.
Quando la luce solare colpisce la superficie superiore della schiuma di melammina rivestita di rGO , la temperatura di quest'ultima aumenta rapidamente in pochi minuti e si mantiene a 35 °C per tutta la durata del processo di evaporazione. Poiché la solubilità del sale dipende dalla temperatura, maggiore è la temperatura, più velocemente il sale si dissolve e quindi il sale ferroso può essere ridisciolto nell'acqua superficiale.
Nella schiuma melamminica rivestita con ossido di grafene ridotto, che presenta numerosi pori con elevata capacità di assorbimento d'acqua e può fornire un apporto idrico continuo alla superficie superiore, i sali possono spostarsi dalla superficie al substrato d'acqua. Le variazioni di temperatura determinano variazioni di salinità tra la superficie di evaporazione superiore e il corpo.
Per ottenere un assorbimento dell'energia solare efficiente e a banda larga, la schiuma melamminica è stata modificata con schiuma melamminica idrofila porosa, aumentando così la superficie di assorbimento solare e aumentando la diffusione multipla.
Il sistema di evaporazione interfacciale solare basato sulla schiuma melamminica rivestita con rGO mostra una rapida risposta termica a una densità di potenza solare di 1 kW m−2, raggiungendo un'efficienza di conversione solare termica in stato stazionario dell'89.6%.
Infine, abbiamo integrato un evaporatore in schiuma melamminica rivestita con ossido di grafene ridotto in un distillatore solare, in grado di produrre il 56.4% di acqua potabile con accumulo di sale a 1 kW m−2.
Immaginiamo che questo dispositivo di desalinizzazione interfacciale alimentato ad energia solare possa essere utilizzato su isole isolate o nell'oceano per raccogliere acqua potabile da abbondanti risorse di acqua marina o di acqua salata.
Conclusione
La schiuma melamminica rivestita con rGO per la desalinizzazione, in quanto tecnologia di desalinizzazione solare innovativa ed efficiente, ha un grande potenziale e grandi prospettive applicative. Non solo può fornire risorse di acqua dolce affidabili per le aree con scarsità d'acqua, ma anche ridurre la dipendenza dall'energia tradizionale, il consumo energetico e l'inquinamento ambientale.
I risultati di questa ricerca forniranno un contributo importante alla soluzione del problema della carenza di risorse di acqua dolce a livello mondiale e promuoveranno la realizzazione di uno sviluppo sostenibile.
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