Conceito de design da estrutura hierárquica inspirada no nenúfar. (A e B) Projeto inspirado em nenúfar e nenúfar para geração de vapor solar, respectivamente. Eles compartilham várias características principais:a epiderme superior com superfície hidrofóbica absorve a luz do sol e fornece estômatos para o escape de vapor de água, lacunas (câmara de ar) na parte inferior da folha mantêm um lírio d'água flutuando na água, e os feixes vasculares (caminho da água) fornecem um suprimento de água confinado. (C) Esquema em microescala de uma camada de água confinada imprensada entre o absorvedor solar superior hidrofóbico e o suporte inferior com baixa condutividade térmica. A evaporação ocorre na superfície da água abaixo do absorvedor, e o sal / soluto é excretado pelo caminho da água, evitando o acúmulo / cristalização do soluto no absorvedor. (D) Captura de luz em nanoescala para o absorvedor solar superior. (E) Modificação da superfície em escala molecular para a superfície hidrofóbica do absorvedor solar superior. Crédito:Science Advances, doi:10.1126 / sciadv.aaw7013
A geração de vapor solar interfacial tem grande potencial para dessalinização e tratamento de águas residuais com alta eficácia de conversão de energia. As altas taxas de evaporação de água não podem ser mantidas usando as técnicas existentes, Contudo, devido a incrustação inevitável ou acúmulo de sal nos absorvedores solares que causam degradação acelerada dos dispositivos. Em um estudo recente, Ning Xu e colegas do Laboratório Nacional de Microestruturas de Estado Sólido, A Faculdade de Engenharia e Ciências Aplicadas e Materiais Funcionais Artificiais da China demonstrou uma estrutura hierárquica inspirada no nenúfar para facilitar a evaporação solar eficiente de salmoura de alta salinidade e águas residuais.
O dispositivo experimental permitiu a evaporação de salmoura de alta salinidade e águas residuais contendo íons de metais pesados, sem diminuir as taxas de evaporação ou sujar os absorvedores durante todo o processo para separar completamente a água e o soluto. O método novo e aprimorado terá implicações diretas em uma variedade de campos, como instalações de tratamento de águas residuais, bem como produção de sal marinho e reciclagem de metal. Os resultados do estudo agora são publicados em Avanços da Ciência .
A escassez de água doce é uma grave crise global devido ao aumento da população humana global e a níveis substanciais de consumo e contaminação de corpos de água doce. Os cientistas desenvolveram uma variedade de tecnologias de tratamento de água, incluindo osmose reversa (RO) e ultrafiltração para aliviar a pressão da retirada contínua de água doce e reduzir o impacto ambiental das águas residuais descartadas. Por exemplo, Zero Liquid Discharge (ZLD) foi proposto como uma técnica definitiva para separar completamente o soluto e a água para reutilização, enquanto minimiza os impactos ecológicos prejudiciais durante o tratamento de águas residuais. Contudo, um método eficiente em termos de energia e custo-benefício para tratar a salmoura concentrada ainda precisa ser desenvolvido para implementações de ZLD em grande escala.
Um desafio significativo com as técnicas convencionais, como RO, é a pressão dramática (energia) necessária durante o processo de filtragem com o aumento da concentração de salmoura; resultando em altos custos de energia para tratamento de água. Como resultado, novos caminhos devem ser explorados com foco específico em salmoura de alta concentração ou águas residuais para separar completamente a água e o soluto com custos mínimos de energia associados à segurança ambiental de longo prazo. Os pesquisadores já haviam explorado várias estratégias para manter altas taxas de evaporação da salmoura concentrada por um longo período de tempo. Os exemplos incluem folhas artificiais inspiradas em árvores de mangue, "métodos para aumentar o suprimento de água para dissolver sedimentos de sal em absorvedores e dessalinização solar com desempenhos relativamente estáveis por 120 horas.
O mecanismo de abastecimento de água para o dispositivo WHS. (A) O esquema do abastecimento de água por meio dos vasos conectados. (B) Análise de força do dispositivo WHS. Fb e GWHS são a flutuabilidade e a gravidade do dispositivo WHS, respectivamente. A é a área de superfície do absorvedor, ρ é a densidade da água, g é a aceleração gravitacional e ∆h é a diferença de nível entre a água bruta e o absorvedor. A água é fornecida ao espaço da camada fina de água através dos orifícios na base inferior. A posição relativa do absorvedor no suporte inferior (e a espessura da camada de água) é determinada pela inclinação do suporte inferior. O fornecimento contínuo de água pode ser garantido controlando o nível de líquido da água bruta para ser superior ao da camada fina de água (ou seja, a diferença dos níveis de líquido ∆h≥0) por meio do ajuste do peso do dispositivo WHS e sua flutuabilidade. Crédito:Science Advances, doi:10.1126 / sciadv.aaw7013
Um design inspirado no nenúfar introduzido no presente trabalho é um elegante sistema de transpiração com várias características nativas. Em um nenúfar natural, a característica principal é uma epiderme superior que absorve a luz solar na companhia dos estômatos para o escape do vapor de água, mantendo uma superfície hidrofóbica de autolimpeza. Como um segundo recurso, a planta pode flutuar naturalmente na superfície da água devido a uma câmara de ar (lacunas) que existe na parte inferior da folha. Terceiro, o desenho floral pode ser confinado a um caminho de água que bombeia a água através de feixes vasculares e os espalha para a superfície da estrutura. Xu et al. imitou esses recursos para propor uma estrutura hierárquica inspirada no nenúfar (WHS) e realizar uma evaporação solar altamente eficiente e estável em salmoura / água residual de alta salinidade para a separação completa de água e soluto.
No novo dispositivo WHS, Xu et al. imitou o lírio d'água, começando com um absorvedor solar de topo hierarquicamente projetado para absorver a luz solar e fornecer escape contínuo de vapor através de "estômatos artificiais". Eles desenvolveram modificações de superfície nanoestruturada no absorvedor solar para propriedades hidrofóbicas - bem como o lírio d'água; impedindo a entrada de água no absorvedor para evaporação solar eficiente. Semelhante às lacunas (câmara de ar) da planta, um pedestal inferior sustentava toda a estrutura para flutuar naturalmente na água enquanto servia como uma camada de isolamento térmico para minimizar as perdas de calor. Como sua contraparte natural, o WHS apenas permitia que a água subisse através dos canais confinados contendo orifícios no suporte inferior.
Fabricações e caracterizações de um WHS. (A) Esquemas dos processos de fabricação do absorvedor solar superior. Da esquerda para a direita:a espuma de Cu original, após ataque químico, após o revestimento de Al2O3, e subsequente decoração com negro de fumo (CB). As inserções mostram fotografias ópticas do absorvedor em diferentes estágios de fabricação. (B) Imagens de microscopia eletrônica de varredura (SEM) da espuma de Cu com poros do tamanho de um micrômetro. (C a E) Imagens SEM de alta resolução do absorvedor em diferentes estágios do processo:superfície da espuma de Cu original (C), após gravação (D), e após o revestimento Al2O3 e decoração CB (E). Inserção de (E):ângulo de contato do absorvedor. (F) Espectros de absorção do absorvedor em diferentes etapas de fabricação. De cima para baixo:a espuma de Cu original, após a gravação, e após revestimento de deposição de camada atômica (ALD) e decoração CB. (G) Fotografias do topo, fundo, e vistas transversais para o WHS. Os orifícios do suporte inferior fornecem o abastecimento de água. O diâmetro do absorvedor é de 4 cm. Crédito:Science Advances, doi:10.1126 / sciadv.aaw7013
Os cientistas escolheram a espuma de cobre (Cu) como substrato inicial para desenvolver o WHS devido à sua alta condutividade térmica e poros de tamanho mícron para facilitar o escape do vapor. Eles então transformaram a superfície lisa do Cu em nanoplacas semelhantes a facas usando corrosão química para criar efeitos de captura de luz em nanoescala e aumentar a absorção solar. Eles seguiram esta etapa revestindo o absorvedor de superfície com uma camada de óxido de alumínio (Al 2 O 3 ) decorado com nanopartículas de negro de fumo (CB) para proteger a superfície e aumentar a absorção da luz solar no infravermelho (IR).
Para testar o desempenho de evaporação do WHS, Xu et al. água desionizada tratada, 10 por cento em peso de salmoura e 30 por cento em peso de águas residuais (contendo uma solução de metal pesado) sob iluminação de um só sol. Quando eles monitoraram as taxas de evaporação, os valores foram comparáveis aos absorvedores solares de alto desempenho, conforme relatado anteriormente. Quando eles testaram o efeito de purificação da dessalinização e tratamento de águas residuais via WHS, as concentrações de íons na água do mar (Na + , Mg 2+ , Ca 2+ ) e águas residuais (Ni 2+ , CD 2+ ) ou Na + na salmoura foram significativamente reduzidos. Os padrões de purificação atendiam ao padrão da Organização Mundial da Saúde (OMS) para água potável ou padrão para descarte.
Para testar a estabilidade de longo prazo do dispositivo, Xu et al. conduzido um contínuo, experimento de oito horas de tratamento solar de água em um simulador solar no laboratório para explicar a ausência de degradação de desempenho e problemas de incrustação. Por esta, eles compararam o WHS e um absorvedor solar convencional com taxas de evaporação semelhantes demonstradas para água pura. Durante os experimentos de dessalinização, a superfície do WHS permaneceu limpa durante a evaporação para indicar sua capacidade anti-incrustação.
Comparativamente, sal se acumulou progressivamente na superfície do absorvedor solar convencional, bloqueando a absorção da luz solar (entrada de energia). Xu et al. notou que a taxa média de evaporação do WHS é muito maior do que a do absorvedor solar durante 8 horas de experimento. Quando eles realizaram um experimento semelhante ao longo de 18 dias ao ar livre sob luz solar natural, a taxa de evaporação foi estável para WHS e diminuiu para absorvedores solares convencionais.
Desempenho da geração de vapor solar. (A) Taxas de evaporação e eficiências de conversão de energia de WHS para água DI, 10% em peso de salmoura, e 30% em peso de águas residuais. (B) Concentrações de íons antes e depois da purificação da água. Água do mar (coletada do Mar de Bohai, China, com uma salinidade média de -1% em peso) e água residual (com íons de metais pesados, Ni2 + e Cd2 +) foram usados como fontes de água. As linhas azuis tracejadas e as linhas violetas tracejadas mostram o padrão da OMS de concentrações de íons para água potável e o padrão para descarga, respectivamente. (C) Mudanças de massa e taxas de evaporação do WHS e um absorvedor solar convencional ao longo de 8 horas. Salmoura (10% em peso) foi usada como fonte de água. As taxas de evaporação de água pura também são listadas em 0 horas para comparação. (D) Fotografias do WHS e um absorvedor solar convencional ao longo do tempo ao tratar salmoura com 10% em peso de salinidade inicialmente. (E) Desempenho de evaporação solar externa do WHS e de um absorvedor solar convencional ao longo de 18 dias ao tratar salmoura com 10% em peso de salinidade (crédito da foto:Ning Xu, Universidade de Nanjing). Crédito:Science Advances, doi:10.1126 / sciadv.aaw7013
Ao tratar salmoura e águas residuais sob absorção solar, o WHS facilitou notavelmente a separação completa da água e do soluto. Depois disso, os cientistas removeram facilmente os cristais de sal / soluto restantes após a evaporação completa da água. Desta maneira, Ning Xu e colegas de trabalho demonstraram um novo dispositivo WHS que pode conduzir a evaporação rápida e estável através do tratamento de longo prazo de salmoura de alta salinidade ou água salgada altamente concentrada. Eles alcançaram a separação completa da água e do soluto sem incrustações (acúmulo de sal / soluto) no dispositivo. Os cientistas esperam que o dispositivo tenha implicações diretas em uma variedade de aplicações, incluindo a produção de sal marinho, recuperação de recursos e fracionamento químico em um futuro próximo.
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