En tant que moyen durable d'utilisation des ressources en eau, le dessalement solaire offre un potentiel considérable pour résoudre le problème de l'insuffisance des ressources en eau douce et atténuer les pénuries d'eau. Cependant, la technologie traditionnelle de dessalement de l'eau de mer présente souvent des inconvénients, tels qu'une consommation énergétique élevée, des équipements complexes et un coût élevé.
Ces dernières années, de nouvelles technologies de revêtement de dessalement à base de nanomatériaux ont progressivement attiré l'attention des chercheurs. Le graphène réduit par l'oxyde de graphène, en tant que nouveau matériau bidimensionnel, a montré un potentiel significatif dans le dessalement solaire.
Comparé aux matériaux de revêtement de dessalement traditionnels, le rGO présente les avantages d'une excellente conductivité, d'une surface spécifique élevée et d'une bonne stabilité chimique, et devrait améliorer l'efficacité du dessalement et réduire la consommation d'énergie.
Cependant, le rGO présente des problèmes d'agrégation et de dépôt, ce qui réduit son activité et sa stabilité. Par conséquent, la fixation du rGO sur des matériaux en mousse pour former un revêtement composite mousse de mélamine /rGO s'est avérée une méthode efficace pour améliorer l'efficacité et la stabilité du dessalement.
En modifiant la surface et en renforçant les propriétés porteuses de la mousse, nous avons uniformément fixé le rGO à sa surface afin d'augmenter sa surface de contact avec les ions sel présents dans l'eau. Parallèlement, la structure et l'épaisseur du revêtement rGO sont contrôlées pour optimiser l'efficacité et la stabilité du dessalement.
Afin de mieux comprendre le mécanisme de dessalement, nous avons également préparé une mousse d'oxyde de graphène réduit (rGO). La mousse de mélamine recouverte de trioxyde de graphène présente une microstructure poreuse et une hydrophilie inhérentes, ce qui lui confère une bonne mouillabilité et peut attirer l'eau vers la zone d'évaporation, permettant ainsi un renouvellement rapide de l'eau tout en évitant la précipitation saline.
Le système d'évaporation interfaciale en mousse de mélamine recouverte d'oxyde de graphène permet d'atteindre un rendement d'évaporation à l'état stationnaire de 89.6 % pour un combustible solaire de 1 kW m−2. Ce système présente un rendement élevé de conversion de l'énergie solaire en chaleur et une bonne stabilité à long terme, ce qui témoigne de son potentiel pour le dessalement commercial de l'eau de mer.
À l'heure actuelle, la crise énergétique mondiale et la pénurie d'eau constituent des menaces majeures pour le développement durable de l'humanité. Pour répondre à la demande énergétique croissante, le développement de diverses technologies performantes de conversion d'énergie et de purification de l'eau fait l'objet d'une attention croissante.
Technologie d'évaporation interfaciale alimentée par l'énergie solaire
Source d'énergie renouvelable prometteuse, l'énergie solaire se distingue par sa très grande capacité, son universalité, sa propreté et ses capacités de conversion multifonctionnelle. Elle a démontré son potentiel de remplacement des combustibles fossiles.
En plus de la technologie solaire photovoltaïque générant directement de l'énergie électrique, la technologie de conversion d'énergie solaire thermique absorbe également l'énergie solaire et la convertit en énergie thermique, ce qui est considéré comme un moyen simple et efficace d'utiliser l'énergie solaire.
L'énergie thermique convertie à partir de l'énergie solaire peut alimenter d'importants procédés industriels tels que les centrales solaires thermiques, le dessalement solaire, la stérilisation, les systèmes de chauffage solaire de l'eau et d'autres applications liées à la chaleur. Le dessalement solaire offre une solution efficace, notamment pour les zones dépourvues d'infrastructures, car il permet d'extraire de l'eau douce de l'eau de mer sans apport énergétique supplémentaire.
Ces dernières années, la technologie d'évaporation interfaciale solaire, qui place la conversion de chaleur solaire à l'interface liquide-vapeur, est devenue une nouvelle technologie d'exploitation de l'énergie solaire. Comparés au chauffage intégral traditionnel, les systèmes d'évaporation interfaciale présentent une efficacité d'évaporation supérieure et une réponse thermique plus rapide, et constituent une alternative potentielle au dessalement de l'eau de mer.
Jusqu'à présent, de nombreuses études ont été menées pour améliorer les performances thermiques des systèmes d'évaporation interfaciale. Un système d'évaporation interfaciale solaire typique se compose de trois éléments importants :
Un absorbeur solaire à absorption solaire élevée et qui convertit efficacement le rayonnement solaire en énergie thermique ; un isolant qui transfère la chaleur convertie à l'eau en vrac ; et un chemin d'alimentation en eau qui aspire en continu l'eau de l'eau en vrac vers la surface de l'absorbeur solaire.
Dans des études précédentes, un grand nombre de chercheurs se sont consacrés à l'amélioration de l'efficacité globale de la conversion de l'énergie solaire en vapeur en synthétisant des matériaux à large bande et absorbant l'énergie solaire, en optimisant la conception de nouvelles voies d'approvisionnement en eau et en améliorant les structures d'isolation thermique.
Jusqu'à présent, les systèmes d'évaporation interfaciale alimentés par l'énergie solaire ont été utilisés dans de nombreux procédés industriels, notamment la distillation solaire induite, la stérilisation solaire, le dessalement solaire et la production d'énergie solaire. Pour obtenir des performances d'évaporation élevées, il est important d'explorer l'absorption à large bande sur l'ensemble du spectre solaire des matériaux absorbants.
Les matériaux absorbant l'énergie solaire développés et explorés dans les systèmes d'évaporation interfaciale solaire comprennent principalement des matériaux carbonés, des particules plasmoniques et des matériaux absorbants spectralement sélectifs. Parmi eux, le noir naturel et les matériaux carbonés présentent une forte capacité de conversion de la chaleur solaire et conviennent aux absorbeurs solaires à large bande et à haute intensité.
En raison de leur taux d'absorption solaire élevé, de leur faible coût et de leur bonne stabilité, de nombreux absorbeurs solaires à base de carbone ont été étudiés, notamment les nanotubes de carbone, le graphite et l'oxyde de graphène réduit. Après des années de développement, le rendement de conversion solaire-vapeur du système à la lumière du jour a atteint plus de 90 %.
Malgré des progrès considérables dans le développement de matériaux absorbant l'énergie solaire et la conception de structures d'évaporation interfaciales, la plupart des dispositifs de dessalement solaire précédemment décrits étaient dus à l'accumulation de sel sur la surface supérieure de l'évaporateur pendant le processus de dessalement. L'accumulation de sel bloque l'absorption solaire et obstrue l'évaporateur poreux, ce qui entraîne une faible efficacité de conversion de l'énergie solaire en chaleur et de faibles performances d'évaporation.
Les méthodes physiques traditionnelles telles que les ondes ultrasonores et l’immersion dans l’eau sont généralement utilisées pour éliminer les sels accumulés, mais ces méthodes peuvent facilement endommager la structure d’évaporation de l’interface.
Afin de réduire l'accumulation de sel dans les systèmes d'évaporation interfaciale, de nombreuses études se sont concentrées sur le développement de l'évaporation hydrophobe. Cependant, les évaporateurs hydrophobes limitent l'apport d'eau à la surface supérieure, réduisant ainsi les performances d'évaporation du système. Une autre solution consiste à utiliser un évaporateur hydrophile, qui déplace l'excès de sel de la surface supérieure vers l'eau.
À ce jour, de nombreuses études se sont concentrées sur la conception d'évaporateurs hydrophiles, tels que les membranes en tissu de cellulose hydrophile, les membranes hydrophiles à base de papier et les évaporateurs bio-inspirés. Cependant, le développement d'un système d'évaporation interfaciale solaire stable et hautement efficace à long terme reste un défi majeur.
Dans cette étude, nous démontrons une mousse d'oxyde de graphène réduit (rGO) résistante au sel, hautement efficace en termes d'absorption solaire et de réactivité thermique rapide pour le dessalement interfacial à énergie solaire sous un éclairage solaire à faible fluorescence.
Dans la nouvelle structure poreuse, la mousse de mélamine hydrophile (MF) a été choisie comme base, ce qui non seulement augmente la surface d'absorption solaire mais améliore également la diffusion multiple.
L'hydrophilie de surface et la porosité de la mousse de mélamine recouverte d'oxyde de graphène réduit assurent un mouillage et une fusion suffisants de la zone de conversion de la chaleur solaire, ainsi qu'un réapprovisionnement rapide en eau, tout en évitant l'accumulation de sels.
Tirant parti des hautes performances de la mousse de mélamine recouverte d'oxyde de graphène réduit, le système d'interface alimenté par l'énergie solaire est capable d'un taux de conversion solaire en vapeur de 89.6 %.
De plus, en intégrant de la mousse de mélamine recouverte d'oxyde de graphène réduit à l'énergie solaire commerciale, nous avons conçu et fabriqué un dispositif de dessalement d'eau de mer interfacial alimenté par l'énergie solaire, avec un rendement de conversion solaire-eau de 56.4 % à la lumière du jour. Grâce au dessalement solaire, l'eau propre collectée est de qualité potable.
Avec des performances d'évaporation supérieures et une évolutivité des matériaux de conversion solaire-thermique, ce système de dessalement interfacial de l'eau de mer à énergie solaire présente de larges perspectives d'application dans les applications pratiques du dessalement de l'eau de mer.
Évolutivité des matériaux de transfert de chaleur pour le dessalement solaire
Système d'évaporation interfaciale à base de mousse de mélamine recouverte d'oxyde de graphène réduit. La mousse de mélamine recouverte d'oxyde de graphène est placée au centre et enveloppée d'une couche de mousse de polyéthylène (PE) à l'extérieur pour former un système d'évaporation interfaciale auto-bullant.
La mousse de mélamine recouverte d'oxyde de graphène réduit au tellure est utilisée pour absorber rapidement le rayonnement solaire incident, convertir l'énergie solaire en chaleur et générer une force motrice pour l'évaporation interfaciale. En revanche, la mousse de mélamine hydrophile recouverte d'oxyde de graphène réduit peut aspirer en continu la saumure dans la zone d'évaporation.
La structure poreuse de la mousse de mélamine recouverte de trioxyde de graphène permet à la vapeur générée de s'échapper dans l'environnement, favorisant ainsi la capture de la lumière solaire et augmentant ainsi l'efficacité de la conversion de l'énergie solaire en chaleur. La mousse de mélamine recouverte d'oxyde de graphène réduit est poreuse et hydrophile, ce qui lui permet d'attirer l'eau dans la structure d'évaporation décrite ci-dessus tout en décomposant les sels concentrés dans l'eau de mer.
Lors de l'évaporation, la concentration en sel de la mousse est supérieure à celle de l'eau de mer au fond. Cette variation de concentration entraîne la dissolution du sel dans l'eau. De plus, la mousse de polyéthylène environnante réduit non seulement l'épaisseur de la mousse de mélamine recouverte d'oxyde de graphène , mais se dépose également naturellement à la surface de l'eau, limitant ainsi les pertes de chaleur dues à l'eau salée environnante.
Les systèmes d'évaporation interfaciale peuvent fonctionner en continu et efficacement à la surface de l'eau sans nécessiter de conceptions complexes. De plus, l'évaporation se produisant à l'interface gaz-liquide, le système d'évaporation interfaciale peut se déplacer de manière autonome lorsque l'interface s'éloigne.
La mousse de mélamine recouverte d'oxyde de graphène réduit au tellure est un composant essentiel du système d'évaporation interfaciale. La mousse de mélamine a été immergée dans une suspension colloïdale d'oxyde de graphène pour préparer cette mousse, puis l'oxyde de graphène a été réduit en oxyde de graphamine réduit par une méthode hydrothermale.
La mousse de mélamine revêtue d'oxyde de graphène réduit d'un diamètre de 3.5 cm et d'une épaisseur de 1.6 cm est facile à fabriquer et sa couleur est un noir profond.
La rugosité de la surface de la mousse de mélamine recouverte d'oxyde de graphène réduit, observée au microscope optique tridimensionnel, a montré une variation de hauteur de plus de 300 μm. La rugosité de la surface des composites de conversion solaire thermique est principalement due à la structure poreuse de la mousse de mélamine, et l'oxyde de graphène réduit modifié augmente également la rugosité de la surface.
La rugosité de surface amplifie la surface d'absorption solaire tout en augmentant la diffusion multiple de la lumière incidente, améliorant ainsi l'efficacité de conversion solaire-chaleur du système. Microstructure de la mousse de mélamine préparée à différents grossissements. La surface de la mousse de mélamine recouverte d'oxyde de graphène présente une structure en réseau ridée et interconnectée.
La taille des pores de la mousse de mélamine revêtue de rGO est comprise entre 20 et 40 μm. La structure à pores ouverts et la surface ridée facilitent le dépôt d'oxyde de graphène. La mousse de mélamine revêtue d'oxyde de graphène réduit présente une bonne mouillabilité à l'eau grâce à son hydrophilie.
Dès qu'une goutte d'eau touche la surface de la mousse de mélamine recouverte d'oxyde de graphène réduit, elle est complètement absorbée en 0.5 seconde. La surface hydrophile des composites d'oxyde de graphène réduit permet un drainage rapide au sein de la structure poreuse. La porosité de la mousse de mélamine recouverte d'oxyde de graphène réduit a été déterminée en comparant les variations de masse avant et après absorption d'eau.
La porosité de la mousse de mélamine recouverte d'oxyde de graphène peut atteindre 85.55 %. L'absorption de l'énergie solaire par cette mousse affecte directement le rendement de conversion solaire-chaleur du système. Pour évaluer la résistance au sel, la mousse de mélamine recouverte d'oxyde de graphène réduit a été placée dans une solution de chlorure de sodium (3.5 % en poids).
Ensuite, 3 g de chlorure de sodium solide ont été déposés sur la surface supérieure et la mousse de mélamine revêtue de Tergo a été placée à une densité solaire de 1 kW m−2. La quantité de sel solide se dissout progressivement après 120 minutes.
Lorsque la lumière du soleil éclaire la surface de la mousse de mélamine recouverte de rGO , sa température augmente rapidement en quelques minutes et se maintient à 35 °C pendant toute la durée de l'évaporation. La solubilité du sel étant fonction de la température, plus celle-ci est élevée, plus le sel se dissout rapidement et plus le fer contenu dans le sel peut se redissoudre dans l'eau de surface.
Dans la mousse de mélamine recouverte d'oxyde de graphène réduit, dotée de nombreux pores à forte capacité d'absorption d'eau permettant un apport continu d'eau à la surface supérieure, les sels peuvent migrer de la surface supérieure vers la sous-couche d'eau. Les variations de température entraînent des variations de salinité entre la surface d'évaporation supérieure et le corps.
Afin d'obtenir une absorption d'énergie solaire à large bande passante et efficace, la mousse de mélamine a été modifiée avec de la mousse de mélamine hydrophile poreuse, augmentant ainsi la surface d'absorption solaire et augmentant la diffusion multiple.
Le système d'évaporation interfaciale solaire basé sur la mousse de mélamine revêtue de rGO présente une réponse thermique rapide à une densité de puissance solaire de 1 kW m−2, atteignant une efficacité de conversion thermique solaire à l'état stationnaire de 89.6 %.
Enfin, nous avons intégré un évaporateur en mousse de mélamine revêtue d'oxyde de graphène réduit dans un alambic solaire, qui peut produire 56.4 % d'eau potable avec accumulation de sel à 1 kW m−2.
Nous envisageons que ce dispositif de dessalement interfacial alimenté par l’énergie solaire pourrait être utilisé sur des îles isolées ou dans l’océan pour collecter de l’eau potable à partir d’eau de mer abondante ou d’autres ressources en eau salée.
Conclusion
La mousse de mélamine revêtue de rGO, technologie de dessalement solaire innovante et efficace, offre un potentiel et des perspectives d'application considérables. Elle permet non seulement de fournir des ressources fiables en eau douce aux zones pauvres en eau, mais aussi de réduire la dépendance aux énergies traditionnelles, la consommation d'énergie et la pollution environnementale.
Les résultats de cette recherche apporteront une contribution importante à la résolution du problème de pénurie mondiale de ressources en eau douce et favoriseront la réalisation du développement durable.
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