Como método sostenible para aprovechar los recursos hídricos, la desalinización solar tiene un gran potencial para resolver la escasez de agua dulce y mitigar la escasez de agua. Sin embargo, la tecnología tradicional de desalinización de agua de mar suele presentar problemas como el alto consumo de energía, la complejidad de los equipos y el alto coste.
En los últimos años, las nuevas tecnologías de recubrimiento para desalinización basadas en nanomateriales han atraído gradualmente la atención de los investigadores. El grafeno reducido con óxido de grafeno, como nuevo material bidimensional, ha demostrado un gran potencial en la desalinización solar.
En comparación con los materiales de revestimiento de desalinización tradicionales, el rGO tiene las ventajas de una excelente conductividad, una alta área de superficie específica y una buena estabilidad química, y se espera que mejore la eficiencia de la desalinización y reduzca el consumo de energía.
Sin embargo, el propio rGO presenta problemas de agregación y deposición, lo que reduce su actividad y estabilidad. Por lo tanto, la fijación de rGO sobre materiales espumosos para formar un recubrimiento compuesto de espuma de melamina /rGO se ha convertido en una forma eficaz de mejorar la eficiencia y la estabilidad de la desalinización.
Mediante la modificación de la superficie y el fortalecimiento de las propiedades de soporte del material de espuma, fijamos uniformemente el rGO sobre la superficie de la espuma para aumentar su área de contacto con los iones de sal del agua. Al mismo tiempo, controlamos la estructura y el espesor del recubrimiento de rGO para optimizar la eficiencia y la estabilidad de la desalinización.
Para comprender mejor el mecanismo de desalinización, también preparamos una espuma de óxido de grafeno reducido (rGO). La espuma de melamina recubierta de trióxido de grafeno posee una microestructura porosa inherente y una hidrofilicidad que le confiere una buena humectabilidad y atrae agua a la zona de evaporación, permitiendo una rápida reposición de agua y evitando la precipitación de sales.
El sistema de evaporación interfacial de espuma de melamina recubierta de óxido de grafeno puede alcanzar una eficiencia de evaporación en estado estacionario del 89.6 % con 1 kW m−2 de combustible solar. Este sistema de evaporación interfacial presenta una alta eficiencia de conversión de energía solar a calor y una buena estabilidad a largo plazo, lo que demuestra su potencial para la desalinización comercial de agua de mar.
Actualmente, la crisis energética mundial y la escasez de agua se han convertido en importantes amenazas para el desarrollo sostenible de la sociedad. Para satisfacer la creciente demanda energética, se ha prestado cada vez más atención al desarrollo de diversas tecnologías de conversión de energía y purificación de agua de alto rendimiento.
Tecnología de evaporación interfacial alimentada por energía solar
Como fuente prometedora de energía renovable, la energía solar se debe a su gran capacidad, universalidad, limpieza y capacidad de conversión multifuncional. Ha demostrado tener potencial para reemplazar los combustibles fósiles.
Además de la tecnología solar fotovoltaica que genera directamente energía eléctrica, la tecnología de conversión de energía solar-térmica también absorbe la energía solar y la convierte en energía térmica, lo que se considera una forma simple y efectiva de utilizar la energía solar.
La energía térmica obtenida a partir de la energía solar puede impulsar importantes procesos industriales como centrales termosolares, desalinización solar, esterilización, sistemas de calentamiento solar de agua y otras aplicaciones relacionadas con la calefacción. La desalinización solar ofrece una solución eficaz, especialmente en zonas con escasez de infraestructura, ya que permite extraer agua dulce del agua de mar sin necesidad de energía adicional.
En los últimos años, la tecnología de evaporación interfacial impulsada por energía solar localiza el proceso de conversión de calor solar en la interfaz líquido-vapor y se ha convertido en una nueva tecnología de aprovechamiento de la energía solar. En comparación con la calefacción integral tradicional, los sistemas de evaporación interfacial presentan una mayor eficiencia de evaporación y una respuesta térmica más rápida, y representan una alternativa potencial para la desalinización de agua de mar.
Hasta la fecha, se han realizado numerosos estudios para mejorar el rendimiento térmico de los sistemas de evaporación interfacial. Un sistema típico de evaporación interfacial alimentado con energía solar consta de tres partes importantes:
Un absorbedor solar con alta absorción solar que convierte eficientemente la radiación solar en energía térmica; un aislante que transfiere el calor convertido al agua a granel; y un camino de suministro de agua que extrae continuamente agua del agua a granel hasta la superficie del absorbedor solar.
En estudios anteriores, un gran número de investigadores se han dedicado a mejorar la eficiencia general de la conversión de energía solar en vapor mediante la síntesis de materiales absorbentes de energía solar de banda ancha, la optimización del diseño de nuevas rutas de suministro de agua y la mejora de las estructuras de aislamiento térmico.
Hasta la fecha, los sistemas de evaporación interfacial impulsados por energía solar se han utilizado en numerosos procesos industriales, como la destilación solar inducida, la esterilización solar, la desalinización solar y la generación de energía solar. Para lograr un alto rendimiento de evaporación del sistema, es importante explorar la absorción de banda ancha de los materiales absorbentes solares en todo el espectro solar.
Los materiales absorbentes de energía solar desarrollados y explorados en sistemas de evaporación interfacial impulsados por energía solar incluyen principalmente materiales carbonosos, partículas plasmónicas y materiales absorbentes espectralmente selectivos. Entre ellos, los materiales negros y carbonosos naturales poseen una gran capacidad de conversión del calor solar y son adecuados para absorbedores solares de banda ancha y alta intensidad.
Debido a su alta tasa de absorción solar, bajo costo y buena estabilidad, se han estudiado numerosos absorbentes solares basados en carbono, incluyendo nanotubos de carbono, grafito y óxido de grafeno reducido. Tras años de desarrollo, la eficiencia de conversión de energía solar a vapor del sistema bajo luz diurna ha superado el 90%.
Si bien se han logrado importantes avances en el desarrollo de materiales que absorben energía solar y en el diseño de estructuras de evaporación interfacial, la mayoría de los dispositivos de desalinización solar descritos anteriormente se debían a la acumulación de sal en la superficie superior del evaporador durante el proceso de desalinización. La sal acumulada bloquea la absorción solar y obstruye el evaporador poroso, lo que resulta en una baja eficiencia de conversión de energía solar a calor y un rendimiento de evaporación deficiente.
Generalmente se utilizan métodos físicos tradicionales como ondas ultrasónicas e inmersión en agua para eliminar las sales acumuladas, pero estos métodos pueden causar fácilmente daños a la estructura de evaporación de la interfaz.
Para reducir la acumulación de sal en los sistemas de evaporación interfacial, muchos estudios se han centrado en el desarrollo de la evaporación hidrofóbica. Sin embargo, los evaporadores hidrofóbicos limitan el suministro de agua a la superficie, lo que reduce el rendimiento de evaporación del sistema. Otra forma de solucionar este problema es utilizar un evaporador hidrofílico, que desplaza el exceso de sal desde la superficie hacia el agua.
Hasta la fecha, muchos estudios se han centrado en el diseño de evaporadores hidrófilos, como membranas de tejido de celulosa hidrófila, membranas hidrófilas a base de papel y evaporadores de inspiración biológica. Sin embargo, desarrollar un sistema de evaporación interfacial impulsado por energía solar, estable y altamente eficiente a largo plazo, sigue siendo un desafío importante.
En este estudio, demostramos una espuma de óxido de grafeno reducido (rGO) resistente a la sal, de absorción solar altamente eficiente y con rápida respuesta térmica para la desalinización interfacial impulsada por energía solar bajo iluminación solar de baja fluorescencia.
En la nueva estructura porosa, se eligió como base la espuma de melamina hidrofílica (MF) , que no solo amplía la superficie para la absorción solar, sino que también mejora la dispersión múltiple.
La hidrofilicidad y la porosidad de la superficie de la espuma de melamina recubierta de óxido de grafeno reducido proporcionan suficiente humectación y fusión de la zona de conversión de calor solar, así como una rápida reposición de agua, al tiempo que evitan la acumulación de sales.
Aprovechando el alto rendimiento de la espuma de melamina revestida con óxido de grafeno reducido, el sistema de interfaz alimentado con energía solar es capaz de alcanzar una tasa de conversión de energía solar a vapor del 89.6 %.
Además, al integrar espuma de melamina recubierta de óxido de grafeno reducido en la energía solar comercial, diseñamos y fabricamos un dispositivo de desalinización de agua de mar interfacial impulsado por energía solar con una eficiencia de conversión de energía solar a agua del 56.4 % con luz natural. Gracias a la desalinización solar, el agua limpia recolectada cumple con los requisitos de calidad potable.
Con un rendimiento de evaporación superior y escalabilidad de materiales de conversión solar a térmico, este sistema para la desalinización interfacial de agua de mar impulsada por energía solar presenta amplias perspectivas de aplicación en aplicaciones prácticas de desalinización de agua de mar.
Escalabilidad de los materiales de transferencia de calor para la desalinización solar
Un sistema de evaporación interfacial basado en espuma de melamina recubierta de óxido de grafeno reducido. La espuma de melamina recubierta de óxido de grafeno Ter se encuentra en el centro y está envuelta por una capa de espuma de polietileno (PE) en el exterior para construir un sistema de evaporación interfacial autoburbujeante.
La espuma de melamina recubierta de óxido de grafeno reducido con telurio se utiliza para absorber rápidamente la radiación solar incidente, convertir la energía solar en calor y generar una fuerza impulsora para la evaporación interfacial. Por otro lado, la espuma de melamina recubierta de óxido de grafeno reducido hidrófilo puede atraer continuamente la salmuera a la zona de evaporación.
La estructura porosa de la espuma de melamina recubierta de trióxido de grafeno permite que el vapor generado escape al ambiente, lo que promueve la captación de la luz solar y, por lo tanto, aumenta la eficiencia de la conversión de energía solar en calor. La espuma de melamina recubierta de óxido de grafeno reducido es porosa e hidrófila, lo que le permite atraer agua hacia la estructura de evaporación descrita anteriormente, a la vez que descompone las sales concentradas y las devuelve al agua de mar.
Durante el proceso de evaporación, la concentración de sal en la espuma es mayor que la concentración de agua de mar en el fondo. Los cambios de concentración provocan que la sal se disuelva en el agua. Además, la espuma de polietileno circundante no solo reduce la espuma de melamina recubierta de óxido de grafeno , sino que también se acumula de forma natural en la superficie del agua, lo que inhibe la pérdida de calor causada por el agua salada circundante.
Los sistemas de evaporación interfacial pueden operar de forma continua y eficiente en superficies de agua sin necesidad de diseños de construcción complejos. Además, dado que la evaporación se produce en la interfaz gas-líquido, el sistema de evaporación interfacial puede moverse de forma autónoma cuando la interfaz retrocede.
La espuma de melamina recubierta de óxido de grafeno reducido con telurio es un componente clave del sistema de evaporación interfacial. La espuma de melamina se sumergió en una suspensión coloidal de óxido de grafeno para prepararla, y posteriormente el óxido de grafeno se redujo a óxido de graamina reducido mediante un método hidrotérmico.
La espuma de melamina recubierta de óxido de grafeno reducido con un diámetro de 3.5 cm y un espesor de 1.6 cm es fácil de fabricar y su color es negro intenso.
La rugosidad superficial de la espuma de melamina recubierta con óxido de grafeno reducido, observada mediante microscopio óptico tridimensional, mostró una variación de altura superior a 300 μm. La rugosidad superficial de los compuestos de conversión solar térmica se atribuye principalmente a la estructura porosa de la espuma de melamina, y el óxido de grafeno reducido modificado también aumenta la rugosidad superficial.
La rugosidad superficial amplifica la superficie de absorción solar, a la vez que aumenta la dispersión múltiple de la luz solar incidente, mejorando así la eficiencia de conversión de energía solar en calor del sistema. Microestructura de la espuma de melamina preparada a diferentes aumentos. La superficie de la espuma de melamina recubierta de óxido de grafeno presenta una estructura reticular arrugada e interconectada.
El tamaño de poro de la espuma de melamina recubierta de rGO oscila entre 20 y 40 μm. Su estructura de poro abierto y su superficie rugosa facilitan la deposición de óxido de grafeno. La espuma de melamina recubierta de óxido de grafeno reducido presenta una buena humectabilidad gracias a su hidrofilicidad.
Una vez que una gota de agua toca la superficie de la espuma de melamina recubierta de óxido de grafeno reducido, se absorbe completamente en 0.5 segundos. La superficie hidrófila de los compuestos de óxido de grafeno reducido permite un rápido drenaje dentro de la estructura porosa. La porosidad de la espuma de melamina recubierta de óxido de grafeno reducido se determinó comparando los cambios de masa antes y después de la absorción de agua.
La porosidad de la espuma de melamina recubierta de óxido de grafeno puede alcanzar el 85.55 %. La absorción de energía solar por esta espuma afecta directamente la eficiencia de conversión de energía solar en calor del sistema. Para evaluar la resistencia a la sal, se colocó la espuma de melamina recubierta de óxido de grafeno en una solución de cloruro de sodio (3.5 % en peso).
A continuación, se colocaron 3 g de cloruro de sodio sólido sobre la superficie superior y se aplicó la espuma de melamina recubierta de Tergo a una densidad solar de 1 kW m−2. La cantidad de sal sólida se disuelve gradualmente después de 120 minutos.
Cuando la luz solar incide sobre la superficie de la espuma de melamina recubierta con rGO , su temperatura aumenta rápidamente en cuestión de minutos y se mantiene a 35 °C durante todo el proceso de evaporación. Dado que la solubilidad de la sal depende de la temperatura, cuanto mayor sea esta, más rápido se disuelve la sal y, por lo tanto, el hierro de la sal puede redisolverse en el agua superficial.
En la espuma de melamina recubierta de óxido de grafeno reducido, que posee numerosos poros con alta capacidad de absorción de agua que permiten un suministro continuo de agua a la superficie superior, las sales pueden desplazarse desde la superficie a la subcapa de agua. Los cambios de temperatura provocan variaciones de salinidad entre la superficie de evaporación superior y el cuerpo.
Para obtener una absorción de energía solar de banda ancha y eficiente, se modificó la espuma de melamina con espuma de melamina hidrófila porosa, aumentando así la superficie de absorción solar y aumentando la dispersión múltiple.
El sistema de evaporación interfacial solar basado en espuma de melamina revestida con rGO exhibe una respuesta térmica rápida a una densidad de energía solar de 1 kW m−2, logrando una eficiencia de conversión térmica solar en estado estable del 89.6%.
Por último, integramos un evaporador de espuma de melamina recubierto de óxido de grafeno reducido en un alambique solar, que puede producir un 56.4 % de agua potable con acumulación de sal a 1 kW m−2.
Prevemos que este dispositivo de desalinización interfacial alimentado con energía solar podría utilizarse en islas aisladas o en el océano para recolectar agua potable del abundante agua de mar u otros recursos de agua salada.
Conclusión
La espuma de melamina recubierta de rGO, como tecnología de desalinización solar innovadora y eficiente, tiene un gran potencial y amplias posibilidades de aplicación. No solo proporciona agua potable de forma fiable a zonas con escasez hídrica, sino que también reduce la dependencia de las energías tradicionales, el consumo energético y la contaminación ambiental.
Los resultados de esta investigación harán una contribución importante a la solución del problema de la escasez mundial de recursos de agua dulce y promoverán la realización del desarrollo sostenible.
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