Como forma sustentável de utilizar recursos hídricos, a dessalinização solar tem grande potencial para solucionar o problema da insuficiência de água doce e aliviar a escassez de água. No entanto, a tecnologia tradicional de dessalinização de água do mar frequentemente apresenta problemas como alto consumo de energia, equipamentos complexos e alto custo.
Nos últimos anos, novas tecnologias de revestimento de dessalinização baseadas em nanomateriais têm gradualmente atraído a atenção de pesquisadores. O grafeno reduzido por óxido de grafeno, como um novo material bidimensional, tem demonstrado potencial significativo na dessalinização solar.
Comparado com materiais de revestimento de dessalinização tradicionais, o rGO tem as vantagens de excelente condutividade, alta área de superfície específica e boa estabilidade química, e espera-se que melhore a eficiência da dessalinização e reduza o consumo de energia.
No entanto, o próprio rGO apresenta problemas de agregação e deposição, o que reduz sua atividade e estabilidade. Portanto, a fixação de rGO em materiais de espuma para formar um revestimento composto de espuma de melamina /rGO tornou-se uma maneira eficaz de melhorar a eficiência e a estabilidade da dessalinização.
Modificando a superfície e reforçando as propriedades de suporte do material de espuma, fixamos o rGO uniformemente na superfície da espuma para aumentar sua área de contato com os íons de sal presentes na água. Ao mesmo tempo, a estrutura e a espessura do revestimento de rGO são controladas para otimizar a eficiência e a estabilidade da dessalinização.
Para compreender melhor o mecanismo de dessalinização, também preparamos uma espuma de óxido de grafeno reduzido (rGO). A espuma de melamina revestida com trióxido de grafeno possui microestrutura porosa inerente e hidrofilicidade, o que lhe confere boa molhabilidade e atrai água para a área de evaporação, permitindo sua rápida reposição, evitando a precipitação de sal.
O sistema de evaporação interfacial de espuma de melamina revestida com óxido de grafeno pode atingir uma eficiência de evaporação em estado estacionário de 89.6% com combustível solar de 1 kW m−2. Este sistema de evaporação interfacial apresenta alta eficiência de conversão de energia solar em calor e boa estabilidade a longo prazo, demonstrando potencial para dessalinização comercial de água do mar.
Atualmente, a crise energética global e a escassez de água tornaram-se grandes ameaças ao desenvolvimento sustentável da sociedade humana. Para atender à crescente demanda energética, o desenvolvimento de diversas tecnologias de conversão de energia e purificação de água de alto desempenho tem recebido cada vez mais atenção.
Tecnologia de evaporação interfacial alimentada por energia solar
Como uma fonte promissora de energia renovável, a energia solar se destaca por sua capacidade ultralarga, universalidade, limpeza e capacidade de conversão multifuncional. Ela demonstrou potencial para substituir combustíveis fósseis retidos por combustíveis fósseis.
Além da tecnologia solar fotovoltaica gerar energia elétrica diretamente, a tecnologia de conversão de energia solar-térmica também absorve energia solar e a converte em energia térmica, o que é considerado uma maneira simples e eficaz de utilizar a energia solar.
A energia térmica convertida da energia solar pode impulsionar importantes processos industriais, como usinas termelétricas solares, dessalinização solar, esterilização, sistemas solares de aquecimento de água e outras aplicações relacionadas ao calor. A dessalinização solar oferece uma solução eficaz, especialmente para áreas carentes de infraestrutura, pois permite extrair água doce da água do mar sem a necessidade de energia adicional.
Nos últimos anos, a tecnologia de evaporação interfacial acionada por energia solar localiza o processo de conversão de calor solar na interface líquido-vapor e se tornou uma nova tecnologia de utilização de energia solar. Comparados ao aquecimento integral tradicional, os sistemas de evaporação interfacial apresentam maior eficiência de evaporação e resposta térmica mais rápida, sendo uma alternativa potencial para a dessalinização da água do mar.
Até o momento, diversos estudos foram realizados para aprimorar o desempenho térmico de sistemas de evaporação interfacial. Um sistema típico de evaporação interfacial movido a energia solar consiste em três partes importantes:
Um absorvedor solar com alta absorção solar que converte eficientemente a radiação solar em energia térmica; um isolante que transfere o calor convertido para a água em massa; e um caminho de fornecimento de água que continuamente extrai água da água em massa para a superfície do absorvedor solar.
Em estudos anteriores, um grande número de pesquisadores se dedicou a melhorar a eficiência geral da conversão de energia solar em vapor, sintetizando materiais de banda larga e absorventes de energia solar, otimizando o projeto de novos caminhos de abastecimento de água e aprimorando as estruturas de isolamento térmico.
Até o momento, sistemas de evaporação interfacial movidos a energia solar têm sido utilizados em diversos processos industriais, como destilação solar induzida, esterilização solar, dessalinização solar e geração de energia solar. Para alcançar alto desempenho de evaporação do sistema, é importante explorar a absorção de banda larga em todo o espectro solar dos materiais absorvedores de energia solar.
Os materiais absorvedores de energia solar desenvolvidos e explorados em sistemas de evaporação interfacial movidos a energia solar incluem principalmente materiais carbonosos, partículas plasmônicas e materiais absorvedores espectralmente seletivos. Entre eles, os materiais pretos naturais e carbonosos possuem forte capacidade de conversão de calor solar e são adequados para absorvedores solares de banda larga e alta intensidade.
Devido à sua alta taxa de absorção solar, baixo custo e boa estabilidade, muitos absorvedores solares à base de carbono têm sido estudados, incluindo nanotubos de carbono, grafite e óxido de grafeno reduzido. Após anos de desenvolvimento, a eficiência de conversão de energia solar em vapor do sistema sob luz natural atingiu mais de 90%.
Embora tenha havido grandes avanços no desenvolvimento de materiais absorvedores de energia solar e no projeto de estruturas de evaporação interfacial, a maioria dos dispositivos de dessalinização solar relatados anteriormente se deveu ao acúmulo de sal na superfície superior do evaporador durante o processo de dessalinização. O sal acumulado bloqueia a absorção solar e bloqueia o evaporador poroso, resultando em baixa eficiência de conversão de energia solar em calor e baixo desempenho de evaporação.
Métodos físicos tradicionais, como ondas ultrassônicas e imersão em água, são geralmente usados para remover sais acumulados, mas esses métodos podem facilmente causar danos à estrutura de evaporação da interface.
Para reduzir o acúmulo de sal em sistemas de evaporação interfacial, muitos estudos têm se concentrado no desenvolvimento da evaporação hidrofóbica. No entanto, evaporadores hidrofóbicos limitam o fornecimento de água à superfície superior, reduzindo assim o desempenho evaporativo do sistema. Outra maneira de resolver esse problema é usar um evaporador hidrofílico, que move o excesso de sal da superfície superior para a água bruta.
Até o momento, muitos estudos se concentraram no projeto de evaporadores hidrofílicos, como membranas de tecido de celulose hidrofílica, membranas hidrofílicas à base de papel e evaporadores bioinspirados. No entanto, desenvolver um sistema de evaporação interfacial movido a energia solar, estável e altamente eficiente, a longo prazo, continua sendo um desafio significativo.
Neste estudo, demonstramos uma espuma de óxido de grafeno reduzido (rGO) resistente ao sal, altamente eficiente na absorção solar e com rápida resposta térmica para dessalinização interfacial acionada por energia solar sob iluminação solar de baixa fluorescência.
Na nova estrutura porosa, a espuma de melamina hidrofílica (MF) foi escolhida como base, o que não só expande a área de superfície para absorção solar, mas também aumenta a dispersão múltipla.
A hidrofilicidade e a porosidade da superfície da espuma de melamina revestida com óxido de grafeno reduzido proporcionam umedecimento e fusão suficientes da zona de conversão de calor solar, bem como rápida reposição de água, evitando o acúmulo de sais.
Aproveitando o alto desempenho da espuma de melamina revestida com óxido de grafeno reduzido, o sistema de interface alimentado por energia solar é capaz de atingir uma taxa de conversão de energia solar para vapor de 89.6%.
Além disso, ao integrar espuma de melamina revestida com óxido de grafeno reduzido à energia solar comercial, projetamos e fabricamos um dispositivo de dessalinização interfacial de água do mar acionado por energia solar com uma eficiência de conversão de energia solar em água de 56.4% sob luz natural. Graças à dessalinização solar, a água limpa coletada possui a qualidade necessária para ser potável.
Com desempenho superior de evaporação e escalabilidade de materiais de conversão solar para térmica, este sistema para dessalinização interfacial de água do mar acionada por energia solar apresenta amplas perspectivas de aplicação em aplicações práticas de dessalinização de água do mar.
Escalabilidade de materiais de transferência de calor por dessalinização solar
Um sistema de evaporação interfacial baseado em espuma de melamina revestida com óxido de grafeno reduzido. A espuma de melamina revestida com óxido de grafeno está no meio e é envolvida por uma camada de espuma de polietileno (PE) na parte externa para construir um sistema de evaporação interfacial autobolhante.
A espuma de melamina revestida com óxido de grafeno reduzido em telúrio é usada para absorver rapidamente a radiação solar incidente, converter energia solar em calor e gerar uma força motriz para a evaporação interfacial. Por outro lado, a espuma de melamina revestida com óxido de grafeno reduzido hidrofílico pode atrair continuamente salmoura para a zona de evaporação.
A estrutura porosa da espuma de melamina revestida com trióxido de grafeno permite que o vapor gerado escape para o ambiente, promovendo a captura da luz solar e, assim, aumentando a eficiência da conversão de energia solar em calor. A espuma de melamina revestida com óxido de grafeno reduzido é porosa e hidrofílica, permitindo que ela atraia água para a estrutura de evaporação descrita acima, ao mesmo tempo em que decompõe os sais concentrados de volta à água do mar.
Durante o processo de evaporação, a concentração de sal na espuma é maior do que a concentração da água do mar no fundo. As mudanças na concentração fazem com que o sal se dissolva na água. Além disso, a espuma de polietileno circundante não só reduz a espuma de melamina revestida com óxido de grafeno , como também se acumula naturalmente na superfície da água, inibindo a perda de calor causada pela água salgada ao redor.
Os sistemas de evaporação de interface podem operar de forma contínua e eficiente em superfícies de água sem a necessidade de projetos complexos. Além disso, como a evaporação ocorre na interface gás-líquido, o sistema de evaporação interfacial pode se mover de forma autônoma quando a interface recua.
A espuma de melamina revestida com óxido de grafeno reduzido com telúrio é um componente essencial do sistema de evaporação interfacial. A espuma de melamina foi imersa em suspensão coloidal de óxido de grafeno para preparar a espuma de melamina revestida com óxido de grafeno reduzido, e então o óxido de grafeno foi reduzido a óxido de grafamina reduzido usando um método hidrotérmico.
A espuma de melamina revestida com óxido de grafeno reduzido, com diâmetro de 3.5 cm e espessura de 1.6 cm, é fácil de fabricar e sua cor é preto profundo.
A rugosidade da superfície do material de espuma de melamina revestido com óxido de grafeno reduzido, observada em microscópio óptico tridimensional, apresentou uma variação de altura superior a 300 μm. A estrutura da superfície rugosa dos compósitos de conversão solar térmica é atribuída principalmente à estrutura porosa da espuma de melamina, e o óxido de grafeno reduzido modificado também aumenta a rugosidade da superfície.
A rugosidade da superfície amplifica a área de absorção solar, aumentando a dispersão múltipla da luz solar incidente, melhorando assim a eficiência de conversão de energia solar em calor do sistema. Microestrutura da espuma de melamina preparada em diferentes ampliações. A superfície da espuma de melamina revestida com óxido de grafeno apresenta uma estrutura de rede enrugada e interconectada.
O tamanho dos poros da espuma de melamina revestida com rGO varia entre 20 e 40 μm. A estrutura de poros abertos e a superfície enrugada facilitam a deposição de óxido de grafeno. A espuma de melamina revestida com óxido de grafeno reduzido apresenta boa molhabilidade em água devido à hidrofilicidade da espuma de melamina porosa.
Assim que uma gota de água toca a superfície da espuma de melamina revestida com óxido de grafeno reduzido, ela é completamente absorvida em 0.5 segundo. A superfície hidrofílica dos compósitos de óxido de grafeno reduzido pode guiar rapidamente a drenagem dentro da estrutura porosa. A porosidade da espuma de melamina revestida com óxido de grafeno reduzido foi determinada comparando as variações de massa antes e depois da absorção de água.
A porosidade da espuma de melamina revestida com óxido de grafeno pode chegar a 85.55%. A absorção de energia solar pela espuma de melamina revestida com óxido de grafeno reduzido afeta diretamente a eficiência de conversão de energia solar em calor do sistema. Para avaliar a resistência ao sal, a espuma de melamina revestida com óxido de grafeno reduzido foi colocada em uma solução de cloreto de sódio (3.5% em peso).
Em seguida, 3 g de cloreto de sódio sólido foram colocados na superfície superior e a espuma de melamina revestida com Tergo foi colocada a uma densidade solar de 1 kW m−2. A quantidade de sal sólido dissolveu-se gradualmente após 120 minutos.
Quando a luz solar incide sobre a superfície da espuma de melamina revestida com rGO , a temperatura da espuma aumenta rapidamente em poucos minutos e permanece a 35 °C durante todo o processo de evaporação. Como a solubilidade do sal depende da temperatura, quanto maior a temperatura, mais rápido o sal se dissolve e, portanto, o ferro presente no sal pode ser redissolvido na água da superfície.
Na espuma de melamina revestida com óxido de grafeno reduzido, que possui numerosos poros com alta capacidade de absorção de água, proporcionando um suprimento contínuo de água para a superfície superior, os sais podem se mover da superfície superior para a subcamada de água. Mudanças de temperatura levam a alterações na salinidade entre a superfície de evaporação superior e o corpo.
Para obter absorção de energia solar de banda larga e eficiente, a espuma de melamina foi modificada com espuma de melamina hidrofílica porosa, aumentando assim a área de superfície de absorção solar e aumentando a dispersão múltipla.
O sistema de evaporação interfacial solar baseado em espuma de melamina revestida com rGO exibe resposta térmica rápida a uma densidade de potência solar de 1 kW m−2, alcançando uma eficiência de conversão térmica solar em estado estacionário de 89.6%.
Por fim, integramos um evaporador de espuma de melamina revestido com óxido de grafeno reduzido em um destilador solar, que pode produzir 56.4% de água potável com acumulação de sal a 1 kW m−2.
Imaginamos que esse dispositivo de dessalinização interfacial alimentado por energia solar poderia ser usado em ilhas isoladas ou no oceano para coletar água potável de águas marinhas abundantes ou de outros recursos de água salgada.
Conclusão
Dessalinização A espuma de melamina revestida com rGO, como uma tecnologia inovadora e eficiente de dessalinização solar, apresenta grande potencial e perspectivas de aplicação. Ela pode não apenas fornecer recursos confiáveis de água doce para áreas com escassez de água, mas também reduzir a dependência de energia tradicional, o consumo de energia e a poluição ambiental.
Os resultados desta pesquisa darão uma contribuição importante para resolver o problema global de escassez de recursos de água doce e promoverão a concretização do desenvolvimento sustentável.
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