A evaporação interfacial movida a energia solar (SIE, na sigla em inglês) é considerada uma das tecnologias mais promissoras para aliviar a escassez de água doce devido à sua capacidade de usar a energia solar de forma eficiente para produzir água doce. Além disso, os evaporadores solares apresentam vantagens exclusivas no tratamento de águas residuais salinas concentradas . O processo de evaporação produz apenas cristais de sal como subproduto, resultando em zero descarte de líquidos. No entanto, o acúmulo de sal no evaporador dificulta a absorção de luz e afeta a saída do vapor, levando, em última instância, a uma diminuição no desempenho da evaporação ou mesmo à sua falha.
Para amenizar esse problema, alguns pesquisadores propuseram uma estratégia de "circulação de sal". Ou seja, um caminho de circulação é projetado para a solução, permitindo que os íons de sal retornem à salmoura, impedindo a cristalização do sal na superfície de evaporação, proporcionando assim uma evaporação contínua e estável. No entanto, esse método causará o aumento da salinidade da solução, e o problema da cristalização do sal ainda é inevitável.
Outra solução é a estratégia de "salting out". Ou seja, a estrutura é regulada de forma que o sal seja cristalizado preferencialmente na área de não evaporação, reduzindo assim o impacto da cristalização do sal no desempenho da evaporação, alcançando assim a coleta simultânea de água salgada e doce. No entanto, a estratégia de "salting out" ainda enfrenta alguns desafios sérios na aplicação prática.
Em primeiro lugar, o transporte unidimensional de salmoura limita a capacidade de absorção, reduzindo significativamente a taxa de evaporação geral. Em segundo lugar, a estratégia de cristalização de sal exige a remoção regular dos cristais de sal, que são difíceis de se desprender automaticamente da superfície do evaporador devido à sua forte adesão. Se o sal depositado não for removido a tempo, o desempenho da evaporação será inevitavelmente reduzido. Além disso, muitos evaporadores solares de alta eficiência exigem processos de preparação perigosos ou demorados, como tratamentos térmicos de alta pressão, baixo vácuo ou alta temperatura.
Portanto, desenvolver um evaporador solar durável para obter evaporação de água e coleta de sal eficientes e estáveis a longo prazo por meio de um processo de preparação simples para dessalinização com descarga zero de líquido é uma meta científica não alcançada.
Com base nos desafios acima, a equipe de pesquisa da Shandong First Medical University preparou um evaporador espiral de aerogel de grafeno com gradiente tridimensional, que pode atingir evaporação solar eficiente de água salgada de alta concentração e atingir descarga zero de líquido.
Para atender aos rigorosos requisitos dos evaporadores solares em termos de absorção solar eficiente, utilização total de energia, excelente resistência ao sal e estabilidade a longo prazo, o design do projeto se concentra principalmente nos quatro pontos principais a seguir:
Foco no projeto estrutural e na melhoria da estabilidade química
O evaporador precisa ter uma estrutura de rede robusta e estabilidade química, o que é crucial para alcançar uma dessalinização solar eficiente, estável e de longo prazo. Portanto, eles escolheram espuma de melamina de baixo custo, super-hidrofílica, de alta porosidade e alta resiliência como estrutura de suporte do evaporador solar.
Eles então estudaram as propriedades mecânicas dos aerogéis de grafeno com espuma de melamina como esqueleto em vários modos, incluindo compressão, flexão e tensão, para avaliar de forma abrangente suas propriedades mecânicas.
Para verificar ainda mais sua robustez e durabilidade sob condições reais de aplicação, a equipe de pesquisa conduziu testes sob uma variedade de condições extremas.
Especificamente, eles dobraram repetidamente a amostra 20 vezes no ar e na água, mergulharam-na em soluções ácidas e alcalinas e a colocaram em ambientes extremos, como alta temperatura e agitação ultrassônica.
Após esses testes rigorosos, eles não encontraram alterações significativas na aparência e na microestrutura da amostra, o que demonstrou plenamente sua excelente durabilidade e estabilidade estrutural.
Foco na simplificação e melhoria econômica dos processos de fabricação
Para alcançar simplicidade e economia no processo de fabricação do evaporador e evitar o uso de equipamentos caros, eles projetaram as seguintes etapas de preparação:
O primeiro passo é a prensagem a quente
Utilizando tecnologia de prensagem a quente, a equipe de pesquisa comprimiu espumas de melamina de diferentes espessuras para obter um filme de melamina pré-prensado com espessura de 1 mm.
Durante esse processo, à medida que a proporção entre a espessura original da amostra e a espessura final comprimida aumenta, o tamanho dos poros do filme de melamina pré-prensado é finamente regulado de 150 μm para 20 μm , formando uma estrutura de rede gradiente tridimensional única.
A segunda etapa é a pulverização da superfície
Utilize um borrifador para aplicar a suspensão de óxido de grafeno uniformemente sobre a superfície do filme de melamina pré-prensado . A distribuição uniforme do óxido de grafeno no filme foi alcançada, o que preparou o terreno para a subsequente redução solar.
A terceira etapa é a secagem sob pressão atmosférica
Após a pulverização, eles colocaram o filme diretamente no ar para secagem natural. Essa etapa evita processos de preparação complexos, demorados e que consomem muita energia, como liofilização, secagem supercrítica e troca de solvente.
O quarto passo é a redução da luz solar
Ou seja, usando uma lupa para focar a luz solar na amostra. Sob a ação dos raios ultravioleta, a cor da superfície da amostra muda rapidamente de marrom para preto, indicando que o óxido de grafeno foi reduzido com sucesso.
Este método de redução solar não é apenas simples de operar e ecologicamente correto, mas também não requer o uso de agentes redutores químicos ou processos de redução térmica de alta temperatura, reduzindo significativamente os custos de produção e a poluição ambiental.
Foco na absorção eficiente de energia solar e minimização de perdas de energia
Os evaporadores solares não devem apenas absorver e converter uma ampla gama de energia solar em energia térmica, mas também minimizar as perdas de energia causadas pela reflexão difusa e radiação térmica, além de capturar energia adicional do ambiente. O processo de evaporação na interface solar é controlado por três fluxos de energia: entrada de energia solar, saída de energia de evaporação e energia dissipada para o ambiente.
Infelizmente, os evaporadores solares bidimensionais convencionais enfrentam problemas de dissipação de energia devido à troca de calor com o ambiente circundante, dificultando a obtenção da eficiência ideal de conversão de energia solar em vapor de 100%. Em contraste, os evaporadores solares tridimensionais podem ultrapassar o limite teórico de eficiência de conversão de energia solar em vapor.
Para reduzir a perda de energia causada pela reflexão difusa e radiação térmica na superfície superior da amostra tridimensional, a equipe projetou um aerogel de grafeno côncavo espiral tridimensional.
Essa estrutura não só tem maior absorção e menor refletividade, mas suas paredes laterais também são capazes de absorver o calor ambiente e o calor refletido difusamente da parte inferior, permitindo assim uma recuperação de energia eficaz.
Foco na otimização da tolerância ao sal e na gestão da cristalização do sal
Ou seja, ao projetar um canal de transporte exclusivo, o transporte radial da salmoura é promovido, o que leva à cristalização direcional do sal. Este projeto não apenas previne eficazmente a deposição e o entupimento do sal na superfície do evaporador, como também realiza a coleta e o aproveitamento eficazes do sal, melhorando significativamente a eficiência e a sustentabilidade do processo de dessalinização.
Especificamente, eles projetaram e prepararam uma estrutura de rede de grafeno com gradiente tridimensional baseada em um filme poroso de melamina pré-prensado . Essa rede de grafeno com gradiente, esparsa no interior e densa no exterior, pode formar uma diferença de força capilar radial, o que promove o transporte radial da salmoura. À medida que o vapor continua a ser gerado, o fluxo radial da salmoura aumenta a concentração da salmoura na área da superfície externa, fazendo com que o sal cristalize direcionalmente na superfície externa em vez da superfície interna. Esse projeto garante que a superfície interna do evaporador mantenha uma área de evaporação suficiente, alcançando assim uma evaporação solar eficiente e estável.
Vale ressaltar que o evaporador utiliza toda a sua superfície externa para cristalização de sal, tornando a área de cristalização muito maior do que outros evaporadores de cristalização direcional.
Os cristais de sal são compostos principalmente de cristais de sal frouxamente compactados com poros abundantes, o que é benéfico para o transporte de salmoura e a liberação de vapor.
Além disso, devido ao efeito de resfriamento evaporativo, a temperatura da superfície da camada de sal é menor que a temperatura ambiente. Essa característica permite que o evaporador absorva mais energia do ambiente, melhorando ainda mais o desempenho da evaporação.
Fonte do artigo: Deep Tech
O grupo de pesquisa: Grupo de Pesquisa em Equipe da Universidade Médica de Shandong First
O artigo foi citado de: https://www.163.com/dy/article/J1RENDEH05119734.html
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