Concetto di design della struttura gerarchica ispirata alle ninfee. (A e B) Design ispirato a ninfee e ninfee per la generazione di vapore solare, rispettivamente. Condividono diverse caratteristiche chiave:l'epidermide superiore con superficie idrofoba assorbe la luce solare e fornisce stomi per la fuoriuscita del vapore acqueo, lacune (camera d'aria) nella parte inferiore della foglia tengono a galla una ninfea sull'acqua, e fasci vascolari (percorso dell'acqua) forniscono un approvvigionamento idrico confinato. (C) Schema in microscala di uno strato d'acqua confinato racchiuso tra l'assorbitore solare superiore idrofobo e il supporto inferiore con bassa conduttività termica. L'evaporazione avviene sulla superficie dell'acqua sotto l'assorbitore, e il sale/soluto viene escreto dal percorso dell'acqua, evitando l'accumulo/cristallizzazione del soluto sull'assorbitore. (D) Intrappolamento della luce su nanoscala per l'assorbitore solare superiore. (E) Modifica della superficie su scala molecolare per la superficie idrofoba dell'assorbitore solare superiore. Credito:progressi scientifici, doi:10.1126/sciadv.aaw7013
La generazione di vapore solare interfacciale ha un grande potenziale per la desalinizzazione e il trattamento delle acque reflue con un'elevata efficienza di conversione dell'energia. Non è possibile mantenere alti tassi di evaporazione dell'acqua utilizzando le tecniche esistenti, però, a causa di inevitabili incrostazioni o accumuli di sale sugli assorbitori solari che causano un degrado accelerato dei dispositivi. In un recente studio, Ning Xu e colleghi del National Laboratory of Solid State Microstructures, Il College of Engineering and Applied Sciences e Artificial Functional Materials in Cina hanno dimostrato una struttura gerarchica ispirata alle ninfee per facilitare un'efficiente evaporazione solare di salamoia ad alta salinità e acque reflue.
Il dispositivo sperimentale ha permesso l'evaporazione di salamoia ad alta salinità e acque reflue contenenti ioni di metalli pesanti, senza diminuire i tassi di evaporazione o sporcare gli assorbitori durante l'intero processo per separare completamente l'acqua e il soluto. Il metodo nuovo e migliorato avrà implicazioni dirette in una varietà di campi come gli impianti di trattamento delle acque reflue, la produzione di sale marino e il riciclaggio dei metalli. I risultati dello studio sono ora pubblicati su Progressi scientifici .
La scarsità di acqua dolce è una grave crisi globale dovuta all'aumento della popolazione umana globale e ai notevoli livelli di consumo e contaminazione dei corpi di acqua dolce. Gli scienziati hanno sviluppato una varietà di tecnologie di trattamento delle acque, tra cui l'osmosi inversa (RO) e l'ultrafiltrazione per alleviare la pressione dovuta al continuo prelievo di acqua dolce e ridurre l'impatto ambientale delle acque reflue scaricate. Ad esempio, Zero Liquid Discharge (ZLD) è stato proposto come tecnica definitiva per separare completamente soluto e acqua per il riutilizzo, riducendo al minimo gli impatti ecologici dannosi durante il trattamento delle acque reflue. Però, resta da sviluppare un metodo efficiente dal punto di vista energetico ed economico per trattare la salamoia concentrata per le implementazioni ZLD su larga scala.
Una sfida significativa con le tecniche tradizionali come RO è la drammatica pressione (energia) richiesta durante il processo di filtraggio con una maggiore concentrazione di salamoia; con conseguenti costi energetici elevati per il trattamento dell'acqua. Di conseguenza, nuovi percorsi dovrebbero essere esplorati con particolare attenzione alla salamoia ad alta concentrazione o alle acque reflue per separare completamente l'acqua e il soluto con costi energetici minimi abbinati alla sicurezza ambientale a lungo termine. I ricercatori avevano precedentemente esplorato diverse strategie per mantenere alti tassi di evaporazione dalla salamoia concentrata per un lungo periodo di tempo. Gli esempi includono "foglie artificiali" ispirate all'albero di mangrovie, " metodi per aumentare l'approvvigionamento idrico per sciogliere i sedimenti salini sugli assorbitori e dissalazione solare con prestazioni relativamente stabili per 120 ore.
Il meccanismo di approvvigionamento idrico per il dispositivo WHS. (A) Lo schema dell'approvvigionamento idrico tramite le navi collegate. (B) Analisi della forza del dispositivo WHS. Fb e GWHS è la galleggiabilità e la gravità del dispositivo WHS, rispettivamente. A è la superficie dell'assorbitore, è la densità dell'acqua, g è l'accelerazione gravitazionale e ∆h è la differenza di livello tra l'acqua sfusa e l'assorbitore. L'acqua viene fornita allo spazio del sottile strato d'acqua attraverso i fori passanti sul supporto inferiore. La posizione relativa dell'assorbitore sul supporto inferiore (e lo spessore dello strato d'acqua) è determinata dalla pendenza sul supporto inferiore. L'approvvigionamento idrico continuo può essere garantito controllando che il livello del liquido dell'acqua sfusa sia superiore a quello dello strato d'acqua sottile (vale a dire, la differenza dei livelli del liquido ∆h≥0) tramite la regolazione del peso del dispositivo WHS e della sua galleggiabilità. Credito:progressi scientifici, doi:10.1126/sciadv.aaw7013
Un design ispirato alle ninfee introdotto nel presente lavoro è un elegante sistema di traspirazione con diverse caratteristiche autoctone. In una ninfea naturale, la caratteristica principale è un'epidermide superiore che assorbe la luce solare in compagnia degli stomi per la fuoriuscita del vapore acqueo pur mantenendo una superficie idrofoba autopulente. Come seconda caratteristica, la pianta può galleggiare naturalmente sulla superficie dell'acqua grazie a una camera d'aria (lacune) che esiste nella parte inferiore della foglia. Terzo, il disegno floreale può essere confinato a un percorso d'acqua che pompa l'acqua attraverso fasci vascolari e li diffonde sulla superficie della struttura. Xu et al. ha imitato queste caratteristiche per proporre una struttura gerarchica ispirata alle ninfee (WHS) e realizzare un'evaporazione solare altamente efficiente e stabile in salamoia/acque reflue ad alta salinità per la completa separazione di acqua e soluti.
Nel nuovo dispositivo WHS, Xu et al. imitava la ninfea, iniziando con un assorbitore solare superiore progettato gerarchicamente per assorbire la luce solare e fornire una fuga continua di vapore attraverso "stomi artificiali". Hanno sviluppato modifiche della superficie della nanostruttura sull'assorbitore solare per proprietà idrofobiche, proprio come la ninfea; impedendo l'ingresso di acqua nell'assorbitore per un'evaporazione solare efficiente. Simile alle lacune (camera d'aria) della pianta, un supporto inferiore ha sostenuto l'intera struttura per galleggiare naturalmente sull'acqua mentre fungeva da strato di isolamento termico per ridurre al minimo le perdite di calore. Come la sua controparte naturale, il WHS sosteneva solo che l'acqua si alzasse attraverso i canali confinati contenenti fori nel supporto inferiore.
Fabbricazioni e caratterizzazioni di un WHS. (A) Schemi dei processi di fabbricazione dell'assorbitore solare superiore. Da sinistra a destra:la schiuma Cu originale, dopo incisione chimica, dopo rivestimento Al2O3, e successiva decorazione con nerofumo (CB). Gli inserti mostrano fotografie ottiche dell'assorbitore in diverse fasi di fabbricazione. (B) Immagini di microscopia elettronica a scansione (SEM) della schiuma di Cu con pori di dimensioni micrometriche. (C a E) Immagini SEM ad alta risoluzione dell'assorbitore in diverse fasi del processo:superficie della schiuma Cu originale (C), dopo l'incisione (D), e dopo rivestimento Al2O3 e decorazione CB (E). Inset of (E):angolo di contatto dell'assorbitore. (F) Spettri di assorbimento dell'assorbitore in diverse fasi di fabbricazione. Dall'alto verso il basso:la schiuma Cu originale, dopo l'incisione, e dopo rivestimento ALD (atomic layer deposition) e decorazione CB. (G) Fotografie della parte superiore, parte inferiore, e viste in sezione trasversale per il WHS. I fori passanti del supporto inferiore forniscono l'approvvigionamento idrico. Il diametro dell'assorbitore è di 4 cm. Credito:progressi scientifici, doi:10.1126/sciadv.aaw7013
Gli scienziati hanno scelto la schiuma di rame (Cu) come substrato iniziale per sviluppare il WHS grazie alla sua elevata conduttività termica e ai pori di dimensioni micron per facilitare la fuoriuscita del vapore. Hanno quindi trasformato la superficie liscia del Cu in nanopiastre simili a coltelli utilizzando l'incisione chimica per progettare effetti di intrappolamento della luce su scala nanometrica e migliorare l'assorbimento solare. Hanno seguito questo passaggio rivestendo l'assorbitore di superficie con uno strato di ossido di alluminio (Al 2 oh 3 ) decorato con nanoparticelle di nerofumo (CB) per proteggere la superficie e migliorare l'assorbimento della luce solare a infrarossi (IR).
Per testare le prestazioni di evaporazione di WHS, Xu et al. acqua deionizzata trattata, 10% in peso di salamoia e 30% in peso di acque reflue (contenenti una soluzione di metalli pesanti) sotto l'illuminazione di un solo sole. Quando hanno monitorato i tassi di evaporazione, i valori erano paragonabili agli assorbitori solari ad alte prestazioni come riportato in precedenza. Quando hanno testato l'effetto purificante della desalinizzazione e del trattamento delle acque reflue tramite WHS, le concentrazioni di ioni nell'acqua di mare (Na + , Mg 2+ , Circa 2+ ) e acque reflue (Ni 2+ , Cd 2+ ) o Na + in salamoia sono stati notevolmente ridotti. Gli standard di purificazione soddisfacevano lo standard dell'Organizzazione mondiale della sanità (OMS) per l'acqua potabile o lo standard per lo scarico.
Per testare la stabilità a lungo termine del dispositivo, Xu et al. condotto un continuo, esperimento di otto ore di trattamento solare dell'acqua sotto un simulatore solare in laboratorio per tenere conto dell'assenza di problemi di degrado delle prestazioni e incrostazioni. Per questo, hanno confrontato il WHS e un assorbitore solare convenzionale con tassi di evaporazione simili dimostrati per l'acqua pura. Durante gli esperimenti di desalinizzazione, la superficie del WHS è rimasta pulita durante l'evaporazione per indicare la sua capacità antivegetativa.
Comparativamente, sale accumulato progressivamente sulla superficie dell'assorbitore solare convenzionale, bloccando l'assorbimento della luce solare (energia assorbita). Xu et al. notò che il tasso di evaporazione medio di WHS era molto più alto di quello dell'assorbitore solare durante le 8 ore dell'esperimento. Quando hanno eseguito un esperimento simile per 18 giorni all'aperto sotto la luce solare naturale, il tasso di evaporazione era stabile per WHS e diminuiva per gli assorbitori solari convenzionali.
Rendimento della generazione di vapore solare. (A) Tassi di evaporazione ed efficienza di conversione energetica di WHS per acqua DI, 10% in peso di salamoia, e il 30% in peso di acque reflue. (B) Concentrazioni di ioni prima e dopo la purificazione dell'acqua. Acqua di mare (raccolta dal mare di Bohai, Cina, con una salinità media di ∼1 wt %) e acque reflue (con ioni di metalli pesanti, Ni2+ e Cd2+) sono stati utilizzati come fonti d'acqua. Le linee blu tratteggiate e le linee viola tratteggiate mostrano lo standard dell'OMS sulle concentrazioni di ioni per l'acqua potabile e lo standard per lo scarico, rispettivamente. (C) Cambiamenti di massa e tassi di evaporazione del WHS e di un assorbitore solare convenzionale in 8 ore. Come fonte d'acqua è stata utilizzata la salamoia (10% in peso). Anche i tassi di evaporazione dall'acqua pura sono elencati a 0 ore per confronto. (D) Fotografie del WHS e di un assorbitore solare convenzionale nel tempo durante il trattamento iniziale della salamoia con una salinità del 10% in peso. (E) Prestazioni di evaporazione solare all'aperto del WHS e di un assorbitore solare convenzionale per 18 giorni quando si tratta la salamoia con una salinità del 10% in peso (credito fotografico:Ning Xu, Università di Nanchino). Credito:progressi scientifici, doi:10.1126/sciadv.aaw7013
Quando si trattano salamoia e acque reflue sotto assorbimento solare, il WHS ha notevolmente facilitato la completa separazione dell'acqua e del soluto. Successivamente, gli scienziati hanno rimosso facilmente i restanti cristalli di sale/soluto dopo la completa evaporazione dell'acqua. In questo modo, Ning Xu e collaboratori hanno dimostrato un nuovo dispositivo WHS in grado di condurre un'evaporazione rapida e stabile durante il trattamento a lungo termine di salamoia ad alta salinità o acqua salata altamente concentrata. Hanno ottenuto la separazione completa dell'acqua e del soluto senza incrostazioni (accumulo di sale/soluto) sul dispositivo. Gli scienziati si aspettano che il dispositivo abbia implicazioni dirette in una varietà di applicazioni, tra cui la produzione di sale marino, recupero delle risorse e frazionamento chimico nel prossimo futuro.
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