Concepto de diseño de la estructura jerárquica inspirada en los nenúfares. (A y B) Diseño inspirado en nenúfares y nenúfares para la generación de vapor solar, respectivamente. Comparten varias características clave:la epidermis superior con superficie hidrofóbica absorbe la luz solar y proporciona estomas para que escape el vapor de agua, lagunas (cámara de aire) en la parte inferior de la hoja mantienen un nenúfar a flote en el agua, y los haces vasculares (paso del agua) proporcionan un suministro de agua confinado. (C) Esquema a microescala de una capa de agua confinada intercalada entre el absorbedor solar superior hidrofóbico y el soporte inferior con baja conductividad térmica. La evaporación ocurre en la superficie del agua debajo del absorbedor, y la sal / soluto se excreta por el paso del agua, evitando la acumulación / cristalización de soluto en el absorbedor. (D) Atrapamiento de luz a nanoescala para el absorbedor solar superior. (E) Modificación de la superficie a escala molecular para la superficie hidrófoba del absorbedor solar superior. Crédito:Science Advances, doi:10.1126 / sciadv.aaw7013
La generación de vapor solar interfacial tiene un gran potencial para la desalinización y el tratamiento de aguas residuales con una alta eficacia de conversión de energía. Las altas tasas de evaporación del agua no se pueden mantener utilizando las técnicas existentes. sin embargo, debido a la inevitable incrustación o acumulación de sal en los absorbedores solares que provocan una degradación acelerada de los dispositivos. En un estudio reciente, Ning Xu y sus colegas del Laboratorio Nacional de Microestructuras de Estado Sólido, La Facultad de Ingeniería y Ciencias Aplicadas y los Materiales Funcionales Artificiales de China han demostrado una estructura jerárquica inspirada en los nenúfares para facilitar la evaporación solar eficiente de la salmuera y las aguas residuales de alta salinidad.
El dispositivo experimental permitió la evaporación de salmuera de alta salinidad y aguas residuales que contienen iones de metales pesados, sin disminuir las tasas de evaporación ni ensuciar los absorbentes durante todo el proceso para separar completamente el agua y el soluto. El método nuevo y mejorado tendrá implicaciones directas en una variedad de campos, como las instalaciones de tratamiento de aguas residuales, así como la producción de sal marina y el reciclaje de metales. Los resultados del estudio se publican ahora en Avances de la ciencia .
La escasez de agua dulce es una grave crisis mundial debido al aumento de la población humana mundial y los niveles sustanciales de consumo y contaminación de los cuerpos de agua dulce. Los científicos desarrollaron una variedad de tecnologías de tratamiento de agua, incluida la ósmosis inversa (RO) y la ultrafiltración para aliviar la presión de la extracción continua de agua dulce y reducir el impacto ambiental de las aguas residuales vertidas. Por ejemplo, Descarga de líquido cero (ZLD) se propuso como una técnica definitiva para separar completamente el soluto y el agua para su reutilización, minimizando al mismo tiempo los impactos ecológicos nocivos durante el tratamiento de aguas residuales. Sin embargo, Queda por desarrollar un método energéticamente eficiente y rentable para tratar la salmuera concentrada para implementaciones de ZLD a gran escala.
Un desafío significativo con las técnicas convencionales como la ósmosis inversa es la enorme presión (energía) requerida durante el proceso de filtrado con una mayor concentración de salmuera; resultando en altos costos de energía para el tratamiento del agua. Como resultado, Deben explorarse nuevas vías con un enfoque específico en la salmuera de alta concentración o las aguas residuales para separar completamente el agua y el soluto con costos mínimos de energía junto con la seguridad ambiental a largo plazo. Los investigadores habían explorado previamente varias estrategias para mantener altas tasas de evaporación de la salmuera concentrada durante un largo período de tiempo. Los ejemplos incluyen "hojas artificiales inspiradas en manglares, “Métodos para incrementar el suministro de agua para disolver sedimentos de sal en absorbedores y desalinización solar con rendimientos relativamente estables durante 120 horas.
El mecanismo de suministro de agua para el dispositivo WHS. (A) El esquema del suministro de agua a través de los recipientes conectados. (B) Análisis de fuerza del dispositivo WHS. Fb y GWHS es la flotabilidad y la gravedad del dispositivo WHS, respectivamente. A es el área de la superficie del absorbedor, ρ es la densidad del agua, g es la aceleración gravitacional y ∆h es la diferencia de nivel entre el agua a granel y el absorbedor. El agua se suministra al espacio de la capa delgada de agua a través de los orificios pasantes en el soporte inferior. La posición relativa del absorbedor en el soporte inferior (y el espesor de la capa de agua) está determinada por la pendiente en el soporte inferior. El suministro continuo de agua se puede garantizar controlando el nivel de líquido del agua a granel para que sea más alto que el de la capa delgada de agua (es decir, la diferencia de niveles de líquido ∆h≥0) mediante el ajuste del peso del dispositivo WHS y su flotabilidad. Crédito:Science Advances, doi:10.1126 / sciadv.aaw7013
Un diseño inspirado en nenúfares introducido en el presente trabajo es un elegante sistema de transpiración con varias características nativas. En un nenúfar natural, la característica principal es una epidermis superior que absorbe la luz solar en compañía de los estomas para que escape el vapor de agua mientras retiene una superficie hidrofóbica autolimpiante. Como segunda característica, la planta puede flotar naturalmente en la superficie del agua debido a una cámara de aire (lagunas) que existe en la parte inferior de la hoja. Tercera, el diseño floral se puede limitar a un camino de agua que bombea agua a través de haces vasculares y los extiende a la superficie de la estructura. Xu y col. imitó estas características para proponer una estructura jerárquica inspirada en nenúfares (WHS) y realizar una evaporación solar altamente eficiente y estable en salmuera / aguas residuales de alta salinidad para una separación completa de agua y solutos.
En el nuevo dispositivo WHS, Xu y col. imitó el nenúfar, comenzando con un absorbedor solar superior diseñado jerárquicamente para absorber la luz solar y proporcionar un escape continuo de vapor a través de "estomas artificiales". Desarrollaron modificaciones de la superficie de la nanoestructura en el absorbedor solar para obtener propiedades hidrófobas, al igual que el nenúfar; evitando la entrada de agua en el absorbedor para una evaporación solar eficiente. Similar a las lagunas (cámara de aire) de la planta, un soporte inferior sostenía toda la estructura para que flotara de forma natural en el agua y, al mismo tiempo, funcionaba como una capa de aislamiento térmico para minimizar las pérdidas de calor. Como su contraparte natural, el WHS solo permitió que el agua se elevara a través de los canales confinados que contenían orificios en el soporte inferior.
Fabricaciones y caracterizaciones de un WHS. (A) Esquemas de los procesos de fabricación del absorbedor solar superior. De izquierda a derecha:la espuma Cu original, después del grabado químico, después del recubrimiento de Al2O3, y posterior decoración con negro de humo (CB). Los recuadros muestran fotografías ópticas del absorbedor en diferentes etapas de fabricación. (B) Imágenes de microscopía electrónica de barrido (SEM) de la espuma de Cu con poros de tamaño micrométrico. (C a E) Imágenes SEM de alta resolución del absorbedor en diferentes etapas del proceso:superficie de la espuma de Cu original (C), después del grabado (D), y después de revestimiento de Al2O3 y decoración CB (E). Recuadro de (E):ángulo de contacto del absorbedor. (F) Espectros de absorción del absorbente en diferentes pasos de fabricación. De arriba a abajo:la espuma Cu original, después del grabado, y después del revestimiento por deposición de capa atómica (ALD) y decoración CB. (G) Fotografías de la parte superior, fondo, y vistas en sección transversal para el WHS. Los orificios pasantes del soporte inferior proporcionan el suministro de agua. El diámetro del absorbedor es de 4 cm. Crédito:Science Advances, doi:10.1126 / sciadv.aaw7013
Los científicos eligieron la espuma de cobre (Cu) como sustrato inicial para desarrollar el WHS debido a su alta conductividad térmica y poros de tamaño micrónico para facilitar el escape de vapor. Luego transformaron la superficie lisa de Cu en nanoplacas en forma de cuchillo utilizando grabado químico para diseñar efectos de captura de luz a nanoescala y mejorar la absorción solar. Siguieron este paso recubriendo la superficie absorbente con una capa de óxido de aluminio (Al 2 O 3 ) decorado con nanopartículas de negro de carbón (CB) para proteger la superficie y mejorar la absorción de la luz solar en infrarrojos (IR).
Para probar el rendimiento de evaporación de WHS, Xu y col. agua desionizada tratada, 10 por ciento en peso de salmuera y 30 por ciento en peso de aguas residuales (que contienen una solución de metales pesados) bajo la iluminación de un sol. Cuando monitorearon las tasas de evaporación, los valores eran comparables a los de los absorbentes solares de alto rendimiento como se informó anteriormente. Cuando probaron el efecto de purificación de la desalinización y el tratamiento de aguas residuales a través de WHS, las concentraciones de iones en el agua de mar (Na + , Mg 2+ , California 2+ ) y aguas residuales (Ni 2+ , CD 2+ ) o Na + en salmuera se redujeron significativamente. Los estándares de purificación cumplieron con el estándar de la Organización Mundial de la Salud (OMS) para agua potable o el estándar de descarga.
Para probar la estabilidad a largo plazo del dispositivo, Xu y col. llevó a cabo un continuo, Experimento de ocho horas de tratamiento de agua solar bajo un simulador solar en el laboratorio para tener en cuenta la ausencia de degradación del rendimiento y problemas de ensuciamiento. Para esto, compararon el WHS y un absorbedor solar convencional con tasas de evaporación similares demostradas para agua pura. Durante los experimentos de desalinización, la superficie del WHS permaneció limpia durante la evaporación para indicar su capacidad antiincrustante.
Relativamente, sal acumulada progresivamente en la superficie del absorbedor solar convencional, bloqueando la absorción de la luz solar (entrada de energía). Xu y col. notó que la tasa de evaporación promedio de WHS era mucho más alta que la del absorbedor solar durante las 8 horas del experimento. Cuando realizaron un experimento similar durante 18 días al aire libre bajo la luz solar natural, la tasa de evaporación fue estable para WHS y disminuyó para absorbedores solares convencionales.
Rendimiento de la generación de vapor solar. (A) Tasas de evaporación y eficiencias de conversión de energía de WHS para agua DI, 10% en peso de salmuera, y 30% en peso de aguas residuales. (B) Concentraciones de iones antes y después de la purificación del agua. Agua de mar (recogida del mar de Bohai, Porcelana, con una salinidad promedio de ~ 1% en peso) y aguas residuales (con iones de metales pesados, Ni2 + y Cd2 +) se utilizaron como fuentes de agua. Las líneas azules discontinuas y las líneas violetas discontinuas muestran el estándar de la OMS de concentraciones de iones para el agua potable y el estándar para la descarga. respectivamente. (C) Cambios de masa y tasas de evaporación del WHS y un absorbedor solar convencional durante 8 horas. Se utilizó salmuera (10% en peso) como fuente de agua. Las tasas de evaporación del agua pura también se enumeran a las 0 horas para comparar. (D) Fotografías del WHS y un absorbedor solar convencional a lo largo del tiempo al tratar salmuera con un 10% en peso de salinidad inicialmente. (E) Rendimiento de evaporación solar al aire libre del WHS y un absorbedor solar convencional durante 18 días cuando se trata salmuera con un 10% en peso de salinidad (crédito de la foto:Ning Xu, Universidad de Nanjing). Crédito:Science Advances, doi:10.1126 / sciadv.aaw7013
Al tratar salmuera y aguas residuales bajo absorción solar, el WHS facilitó notablemente la separación completa del agua y el soluto. Después de eso, los científicos eliminaron fácilmente los cristales de sal / soluto restantes después de la evaporación completa del agua. De este modo, Ning Xu y sus compañeros de trabajo demostraron un nuevo dispositivo WHS que puede realizar una evaporación rápida y estable durante el tratamiento a largo plazo de salmuera de alta salinidad o agua salada altamente concentrada. Lograron la separación completa del agua y el soluto sin ensuciar (acumulación de sal / soluto) en el dispositivo. Los científicos esperan que el dispositivo tenga implicaciones directas en una variedad de aplicaciones, incluida la producción de sal marina, recuperación de recursos y fraccionamiento químico en un futuro próximo.
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