L'évaporation interfaciale solaire (EIS) est considérée comme l'une des technologies les plus prometteuses pour pallier la pénurie d'eau douce grâce à sa capacité à utiliser efficacement l'énergie solaire pour produire de l'eau douce. De plus, les évaporateurs solaires présentent des avantages uniques pour le traitement des eaux usées fortement salées . Le processus d'évaporation ne produit que des cristaux de sel comme sous-produit, ce qui permet d'obtenir un rejet liquide nul. Cependant, l'accumulation de sel dans l'évaporateur entrave l'absorption de la lumière et affecte l'évacuation de la vapeur, ce qui peut entraîner une diminution des performances d'évaporation, voire une panne de l'évaporateur.
Pour pallier ce problème, certains chercheurs ont proposé une stratégie de « circulation du sel ». Autrement dit, un circuit de circulation est conçu pour permettre aux ions sel de refluer dans la saumure, empêchant ainsi la cristallisation du sel à la surface d'évaporation, assurant ainsi une évaporation continue et stable. Cependant, cette méthode entraîne une augmentation de la salinité de la solution, et le problème de cristallisation du sel reste inévitable.
Une autre solution est la stratégie de « relargage ». La structure est régulée de manière à ce que le sel cristallise préférentiellement dans la zone de non-évaporation, réduisant ainsi l'impact de la cristallisation du sel sur les performances d'évaporation, permettant ainsi la collecte simultanée d'eau salée et d'eau douce. Cependant, cette stratégie de « relargage » se heurte encore à de sérieux défis dans sa mise en œuvre pratique.
Premièrement, le transport unidimensionnel de la saumure limite la capacité d'absorption, réduisant considérablement le taux d'évaporation global. Deuxièmement, la stratégie de cristallisation du sel nécessite l'élimination régulière des cristaux de sel, qui sont difficiles à détacher automatiquement de la surface de l'évaporateur en raison de leur forte adhérence. Si le sel déposé n'est pas éliminé à temps, les performances d'évaporation seront inévitablement réduites. De plus, de nombreux évaporateurs solaires à haut rendement nécessitent des procédés de préparation dangereux et longs, tels que des traitements thermiques à haute pression, à vide partiel ou à haute température.
Par conséquent, le développement d’un évaporateur solaire durable permettant d’obtenir une évaporation de l’eau et une collecte de sel à long terme, efficaces et stables grâce à un processus de préparation simple pour un dessalement sans rejet liquide est un objectif scientifique non atteint.
Sur la base des défis ci-dessus, l'équipe de recherche de la première université médicale du Shandong a préparé un évaporateur d'aérogel en spirale de graphène à gradient tridimensionnel, qui peut réaliser une évaporation solaire efficace de l'eau salée à haute concentration et obtenir un rejet liquide nul.
Afin de répondre aux exigences strictes des évaporateurs solaires en termes d'absorption solaire efficace, d'utilisation complète de l'énergie, d'excellente résistance au sel et de stabilité à long terme, la conception du projet se concentre principalement sur les quatre points clés suivants :
Se concentrer sur la conception structurelle et l'amélioration de la stabilité chimique
L'évaporateur doit présenter une structure réticulaire robuste et une grande stabilité chimique, conditions essentielles à un dessalement solaire efficace et stable sur le long terme. C'est pourquoi une mousse de mélamine économique, superhydrophile, à haute porosité et haute résilience a été choisie comme support de l'évaporateur solaire.
Ils ont ensuite étudié les propriétés mécaniques des aérogels de graphène avec de la mousse de mélamine comme squelette dans plusieurs modes, notamment la compression, la flexion et la tension, pour évaluer de manière exhaustive leurs propriétés mécaniques.
Afin de vérifier davantage sa robustesse et sa durabilité dans des conditions d’application réelles, l’équipe de recherche a effectué des tests dans diverses conditions extrêmes.
Plus précisément, ils ont plié l'échantillon à 20 reprises dans l'air et dans l'eau, l'ont trempé dans des solutions acides et alcalines et l'ont placé dans des environnements difficiles tels que des températures élevées et une agitation ultrasonique.
Après ces tests rigoureux, ils n'ont constaté aucun changement significatif dans l'apparence et la microstructure de l'échantillon, ce qui a pleinement démontré son excellente durabilité et sa stabilité structurelle.
Mettre l'accent sur la simplification et l'amélioration économique des processus de fabrication
Pour obtenir simplicité et économie dans le processus de fabrication de l'évaporateur et éviter l'utilisation d'équipements coûteux, ils ont conçu les étapes de préparation suivantes :
La première étape est le pressage à chaud
Grâce à la technologie de pressage à chaud, l'équipe de recherche a comprimé des mousses de mélamine de différentes épaisseurs pour obtenir un film de mélamine prépressé d'une épaisseur de 1 mm.
Au cours de ce processus, à mesure que le rapport entre l'épaisseur initiale de l'échantillon et l'épaisseur finale après compression augmente, la taille des pores du film de mélamine pré-pressé est finement régulée de 150 μm à 20 μm , formant une structure de réseau à gradient tridimensionnel unique.
La deuxième étape est la pulvérisation de surface
Utilisez un flacon pulvérisateur pour répartir uniformément la suspension d'oxyde de graphène sur la surface du film de mélamine pré-pressé . La distribution uniforme de l'oxyde de graphène dans le film a ainsi été obtenue, ce qui a permis la réduction solaire ultérieure.
La troisième étape est le séchage à pression atmosphérique
Après la pulvérisation, le film a été placé directement à l'air libre pour un séchage naturel. Cette étape évite les procédés de préparation complexes, longs et énergivores tels que la lyophilisation, le séchage supercritique et le remplacement des solvants.
La quatrième étape consiste à réduire l’ensoleillement
Autrement dit, en utilisant une loupe pour focaliser la lumière du soleil sur l'échantillon, la couleur de la surface de l'échantillon passe rapidement du brun au noir sous l'action des rayons ultraviolets, indiquant que l'oxyde de graphène a été réduit avec succès.
Cette méthode de réduction solaire est non seulement simple à utiliser et respectueuse de l'environnement, mais ne nécessite pas non plus l'utilisation d'agents réducteurs chimiques ou de processus de réduction thermique à haute température, ce qui réduit considérablement les coûts de production et la pollution de l'environnement.
Mettre l'accent sur l'absorption efficace de l'énergie solaire et la minimisation des pertes d'énergie
Les évaporateurs solaires doivent non seulement absorber et convertir une large gamme d'énergie solaire en énergie thermique, mais aussi minimiser les pertes énergétiques dues à la réflexion diffuse et au rayonnement thermique, et capter l'énergie supplémentaire de l'environnement. Le processus d'évaporation à l'interface solaire est contrôlé par trois flux énergétiques : l'énergie solaire entrante, l'énergie d'évaporation sortante et l'énergie dissipée dans l'environnement.
Malheureusement, les évaporateurs solaires bidimensionnels conventionnels rencontrent des problèmes de dissipation d'énergie liés aux échanges thermiques avec le milieu ambiant, ce qui rend difficile l'obtention d'un rendement idéal de 100 % de conversion solaire-vapeur. En revanche, les évaporateurs solaires tridimensionnels peuvent dépasser la limite théorique du rendement de conversion solaire-vapeur.
Afin de réduire la perte d’énergie causée par la réflexion diffuse et le rayonnement thermique sur la surface supérieure de l’échantillon tridimensionnel, l’équipe a conçu un aérogel de graphène concave en spirale tridimensionnel.
Cette structure présente non seulement une absorbance plus élevée et une réflectivité plus faible, mais ses parois latérales sont également capables d'absorber la chaleur ambiante et la chaleur réfléchie de manière diffuse par le bas, permettant ainsi une récupération d'énergie efficace.
Se concentrer sur l'optimisation de la tolérance au sel et la gestion de la cristallisation du sel
En d'autres termes, la conception d'un canal de transport unique favorise le transport radial de la saumure, ce qui conduit à la cristallisation directionnelle du sel. Cette conception empêche non seulement le dépôt et le colmatage du sel à la surface de l'évaporateur, mais assure également une collecte et une utilisation efficaces du sel, améliorant ainsi considérablement l'efficacité et la durabilité du processus de dessalement.
Plus précisément, ils ont conçu et préparé une structure de réseau de graphène à gradient tridimensionnel à partir d'un film poreux de mélamine pré-pressé . Ce réseau de graphène à gradient, clairsemé à l'intérieur et dense à l'extérieur, génère une différence de force capillaire radiale, favorisant le transport radial de la saumure. La production continue de vapeur entraîne une augmentation de la concentration de saumure à la surface externe, induisant une cristallisation directionnelle du sel sur cette surface plutôt qu'à l'intérieur. Cette conception garantit une surface d'évaporation suffisante à l'intérieur de l'évaporateur, permettant ainsi une évaporation solaire efficace et stable.
Il convient de mentionner que l'évaporateur utilise toute sa surface extérieure pour la cristallisation du sel, ce qui rend la zone de cristallisation beaucoup plus grande que les autres évaporateurs à cristallisation directionnelle.
Les cristaux de sel sont principalement composés de cristaux de sel peu compacts avec des pores abondants, qui sont bénéfiques au transport de la saumure et à la libération de vapeur.
De plus, grâce à l'effet de refroidissement par évaporation, la température de surface de la couche de sel est inférieure à la température ambiante. Cette caractéristique permet à l'évaporateur d'absorber davantage d'énergie de l'environnement, améliorant ainsi les performances d'évaporation.
Source de l'article : Deep Tech
Le groupe de recherche : Groupe de recherche de l'équipe de la première université médicale du Shandong
L'article est cité depuis : https://www.163.com/dy/article/J1RENDEH05119734.html
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