La evaporación interfacial solar (SIE) se considera una de las tecnologías más prometedoras para paliar la escasez de agua dulce, gracias a su capacidad para utilizar eficientemente la energía solar en la producción de agua potable. Además, los evaporadores solares presentan ventajas únicas en el tratamiento de aguas residuales con alta concentración de sal . El proceso de evaporación solo genera cristales de sal como subproducto, logrando así una descarga cero de líquidos. Sin embargo, la acumulación de sal en el evaporador dificulta la absorción de luz y afecta la salida del vapor, lo que en última instancia reduce el rendimiento de evaporación del equipo o incluso puede provocar su avería.
Para solucionar este problema, algunos investigadores han propuesto una estrategia de "circulación de sal". Es decir, se diseña una vía de circulación para que la solución permita que los iones de sal regresen a la salmuera, evitando así la cristalización de la sal en la superficie de evaporación, logrando así una evaporación continua y estable. Sin embargo, este método provocará un aumento de la salinidad de la solución, y el problema de la cristalización de la sal sigue siendo inevitable.
Otra solución es la estrategia de "salinización". Es decir, la estructura se regula para que la sal se cristalice preferentemente en la zona de no evaporación, reduciendo así el impacto de la cristalización de la sal en el rendimiento de la evaporación, logrando así la captación simultánea de sal y agua dulce. Sin embargo, la estrategia de "salinización" aún enfrenta importantes desafíos en su aplicación práctica.
En primer lugar, el transporte unidimensional de salmuera limita la capacidad de absorción, lo que reduce significativamente la tasa de evaporación general. En segundo lugar, la estrategia de cristalización de la sal requiere la eliminación regular de los cristales de sal, que son difíciles de desprender automáticamente de la superficie del evaporador debido a su fuerte adhesión. Si la sal depositada no se elimina a tiempo, el rendimiento de la evaporación se verá inevitablemente reducido. Además, muchos evaporadores solares de alta eficiencia requieren procesos de preparación peligrosos o laboriosos, como tratamientos térmicos de alta presión, bajo vacío o alta temperatura.
Por lo tanto, desarrollar un evaporador solar duradero para lograr una evaporación de agua y una recolección de sal estables, eficientes y a largo plazo mediante un proceso de preparación simple para la desalinización con descarga cero de líquidos es un objetivo científico no alcanzado.
Basándose en los desafíos anteriores, el equipo de investigación de la Primera Universidad Médica de Shandong preparó un evaporador de aerogel en espiral de grafeno con gradiente tridimensional, que puede lograr una evaporación solar eficiente de agua salada de alta concentración y lograr una descarga de líquido cero.
Para cumplir con los estrictos requisitos de los evaporadores solares en términos de absorción solar eficiente, utilización total de la energía, excelente resistencia a la sal y estabilidad a largo plazo, el diseño del proyecto se centra principalmente en los siguientes cuatro puntos clave:
Centrarse en el diseño estructural y la mejora de la estabilidad química.
El evaporador necesita una estructura de red robusta y una gran estabilidad química, lo cual es fundamental para lograr una desalinización solar eficiente y estable a largo plazo. Por ello, optaron por una espuma de melamina de bajo costo, superhidrofílica, de alta porosidad y gran resiliencia como soporte del evaporador solar.
Luego estudiaron las propiedades mecánicas de los aerogeles de grafeno con espuma de melamina como esqueleto en múltiples modos, incluida la compresión, la flexión y la tensión, para evaluar exhaustivamente sus propiedades mecánicas.
Para verificar aún más su robustez y durabilidad en condiciones de aplicación reales, el equipo de investigación realizó pruebas en una variedad de condiciones extremas.
En concreto, doblaron la muestra repetidamente 20 veces en el aire y en el agua, la sumergieron en soluciones ácidas y alcalinas , y la colocaron en entornos hostiles, como altas temperaturas y agitación ultrasónica.
Después de estas rigurosas pruebas, no encontraron cambios significativos en la apariencia y microestructura de la muestra, lo que demostró plenamente su excelente durabilidad y estabilidad estructural.
Centrarse en la simplificación y la mejora económica de los procesos de fabricación
Para lograr simplicidad y economía en el proceso de fabricación del evaporador y evitar el uso de equipos costosos, diseñaron los siguientes pasos de preparación:
El primer paso es el prensado en caliente.
Utilizando tecnología de prensado en caliente, el equipo de investigación comprimió espumas de melamina de diferentes espesores para obtener una película de melamina preprensada con un espesor de 1 mm.
Durante este proceso, a medida que aumenta la relación entre el espesor original de la muestra y el espesor final comprimido, el tamaño de los poros de la película de melamina precomprimida se regula con precisión desde 150 μm hasta 20 μm , formando una estructura de red de gradiente tridimensional única.
El segundo paso es la pulverización superficial.
Utilice un pulverizador para rociar uniformemente la suspensión de óxido de grafeno sobre la superficie de la película de melamina precomprimida . Se logró una distribución uniforme del óxido de grafeno en la película, lo que sentó las bases para la posterior reducción solar.
El tercer paso es el secado a presión atmosférica.
Tras la pulverización, la película se expuso directamente al aire para su secado natural. Este paso evita los complejos, lentos y energéticos procesos de preparación, como la liofilización, el secado supercrítico y la sustitución de disolventes.
El cuarto paso es la reducción de la luz solar.
Es decir, se utiliza una lupa para enfocar la luz solar sobre la muestra. Bajo la acción de los rayos ultravioleta, el color de la superficie de la muestra cambia rápidamente de marrón a negro, lo que indica que el óxido de grafeno se ha reducido con éxito.
Este método de reducción solar no solo es fácil de operar y respetuoso con el medio ambiente, sino que además no requiere el uso de agentes reductores químicos ni procesos de reducción térmica de alta temperatura, lo que reduce significativamente los costos de producción y la contaminación ambiental.
Centrarse en la absorción eficiente de energía solar y la minimización de la pérdida de energía.
Los evaporadores solares no solo deben absorber y convertir una amplia gama de energía solar en energía térmica, sino también minimizar las pérdidas de energía causadas por la reflexión difusa y la radiación térmica, y captar energía adicional del entorno. El proceso de evaporación en la interfaz solar está controlado por tres flujos de energía: la entrada de energía solar, la salida de energía de evaporación y la energía disipada al entorno.
Desafortunadamente, los evaporadores solares bidimensionales convencionales presentan problemas de disipación de energía debido al intercambio de calor con el entorno, lo que dificulta alcanzar la eficiencia ideal de conversión de energía solar a vapor del 100 %. Por el contrario, los evaporadores solares tridimensionales pueden superar el límite teórico de eficiencia de conversión de energía solar a vapor.
Para reducir la pérdida de energía causada por la reflexión difusa y la radiación térmica en la superficie superior de la muestra tridimensional, el equipo diseñó un aerogel de grafeno cóncavo en espiral tridimensional.
Esta estructura no solo tiene mayor absorbancia y menor reflectividad, sino que sus paredes laterales también son capaces de absorber el calor ambiental y el calor reflejado difusamente desde la parte inferior, lo que permite una recuperación de energía efectiva.
Enfoque en la optimización de la tolerancia a la sal y la gestión de la cristalización de la sal.
Es decir, mediante el diseño de un canal de transporte único, se promueve el transporte radial de la salmuera, lo que conduce a la cristalización direccional de la sal. Este diseño no solo evita eficazmente que la sal se deposite y obstruya la superficie del evaporador, sino que también permite la recolección y el aprovechamiento eficientes de la sal, mejorando así significativamente la eficiencia y la sostenibilidad del proceso de desalinización.
En concreto, diseñaron y prepararon una estructura de red de grafeno con gradiente tridimensional basada en una película porosa de melamina precomprimida . Esta red de grafeno con gradiente, de menor densidad en el interior y mayor en el exterior, genera una diferencia de fuerza capilar radial que favorece el transporte radial de la salmuera. A medida que se genera vapor, el flujo radial de salmuera incrementa su concentración en la superficie exterior, lo que provoca que la sal cristalice direccionalmente en dicha superficie en lugar de en la interior. Este diseño garantiza que la superficie interior del evaporador mantenga una superficie de evaporación suficiente, logrando así una evaporación solar eficiente y estable.
Vale la pena mencionar que el evaporador utiliza toda su superficie exterior para la cristalización de la sal, lo que hace que el área de cristalización sea mucho más grande que otros evaporadores de cristalización direccional.
Los cristales de sal se componen principalmente de cristales de sal poco compactados y con abundantes poros, que son beneficiosos para el transporte de salmuera y la liberación de vapor.
Además, gracias al efecto de enfriamiento por evaporación, la temperatura superficial de la capa de sal es inferior a la temperatura ambiente. Esta característica permite que el evaporador absorba más energía del ambiente, mejorando aún más el rendimiento de la evaporación.
Fuente del artículo: Deep Tech
Grupo de investigación: Grupo de investigación en equipo de la Primera Universidad Médica de Shandong
El artículo se cita de: https://www.163.com/dy/article/J1RENDEH05119734.html
Para obtener más información sobre la espuma de melamina SINOYQX, póngase en contacto con nosotros en [email protected] o llámenos al +86-28-8411-1861.
Algunas imágenes y textos se reproducen de internet y los derechos de autor pertenecen al autor original. Si detecta alguna infracción, por favor, contáctenos para eliminarla.