La génération de vapeur solaire interfaciale a un grand potentiel pour le dessalement et le traitement des eaux usées avec une efficacité de conversion d'énergie élevée. Des taux d'évaporation élevés de l'eau ne peuvent pas être maintenus en utilisant les techniques existantes, cependant, en raison d'un encrassement inévitable ou d'une accumulation de sel sur les absorbeurs solaires qui provoquent une dégradation accélérée des appareils. Dans une étude récente, Ning Xu et ses collègues du Laboratoire national des microstructures à l'état solide, Le Collège d'ingénierie et de sciences appliquées et les matériaux fonctionnels artificiels en Chine ont démontré une structure hiérarchique inspirée du nénuphar pour faciliter l'évaporation solaire efficace de la saumure et des eaux usées à haute salinité.

Le dispositif expérimental a permis l'évaporation de saumure à haute salinité et d'eaux usées contenant des ions de métaux lourds, sans diminuer les taux d'évaporation ni encrasser les absorbeurs pendant tout le processus pour séparer complètement l'eau et le soluté. La méthode nouvelle et améliorée aura des implications directes dans une variété de domaines tels que les installations de traitement des eaux usées ainsi que la production de sel marin et le recyclage des métaux. Les résultats de l'étude sont maintenant publiés sur Avancées scientifiques .

La pénurie d'eau douce est une grave crise mondiale en raison de l'augmentation de la population humaine mondiale et des niveaux substantiels de consommation et de contamination des masses d'eau douce. Les scientifiques ont développé une variété de technologies de traitement de l'eau, y compris l'osmose inverse (OI) et l'ultrafiltration pour alléger la pression du prélèvement continu d'eau douce et réduire l'impact environnemental des eaux usées rejetées. Par exemple, Zero Liquid Discharge (ZLD) a été proposé comme technique ultime pour séparer complètement le soluté et l'eau pour la réutilisation, tout en minimisant les impacts écologiques nocifs lors du traitement des eaux usées. Cependant, une méthode économe en énergie et rentable pour traiter la saumure concentrée reste à développer pour les implémentations ZLD à grande échelle.

Un défi important avec les techniques courantes telles que l'osmose inverse est la pression (énergie) considérable requise pendant le processus de filtrage avec une concentration de saumure accrue ; entraînant des coûts énergétiques élevés pour le traitement de l'eau. Par conséquent, de nouvelles voies devraient être explorées avec un accent particulier sur la saumure ou les eaux usées à haute concentration pour séparer complètement l'eau et le soluté avec des coûts énergétiques minimes couplés à une sécurité environnementale à long terme. Les chercheurs avaient précédemment exploré plusieurs stratégies pour maintenir des taux d'évaporation élevés de la saumure concentrée sur une longue période. Les exemples incluent les "feuilles artificielles" inspirées des mangroves, " méthodes pour augmenter l'approvisionnement en eau pour dissoudre les sédiments salins sur les absorbeurs et le dessalement solaire avec des performances relativement stables pendant 120 heures.

Un design inspiré du nénuphar introduit dans le présent travail est un élégant système de transpiration avec plusieurs caractéristiques natives. Dans un nénuphar naturel, la caractéristique principale est un épiderme supérieur qui absorbe la lumière du soleil en compagnie des stomates pour l'évacuation de la vapeur d'eau tout en conservant une surface autonettoyante hydrophobe. Comme deuxième caractéristique, la plante peut naturellement flotter à la surface de l'eau grâce à une chambre à air (lacunes) qui existe au bas de la feuille. Troisième, la conception florale peut être confinée à un chemin d'eau qui pompe l'eau à travers les faisceaux vasculaires et les répand à la surface de la structure. Xu et al. a imité ces caractéristiques pour proposer une structure hiérarchique inspirée du nénuphar (WHS) et réaliser une évaporation solaire très efficace et stable dans une saumure/eaux usées à haute salinité pour une séparation complète de l'eau et des solutés.

Dans le nouvel appareil WHS, Xu et al. imité le nénuphar, en commençant par un absorbeur solaire supérieur conçu hiérarchiquement pour absorber la lumière du soleil et fournir une évacuation continue de la vapeur à travers des "stomates artificiels". Ils ont développé des modifications de surface de nanostructure sur l'absorbeur solaire pour des propriétés hydrophobes, un peu comme le nénuphar; empêchant l'entrée d'eau dans l'absorbeur pour une évaporation solaire efficace. Semblable aux lacunes (chambre à air) de la plante, un support inférieur a soutenu toute la structure pour flotter naturellement sur l'eau tout en servant de couche d'isolation thermique pour minimiser les pertes de chaleur. Comme son homologue naturel, le WHS ne supportait que l'eau pour monter à travers les canaux confinés contenant des trous dans le support inférieur.

Les scientifiques ont choisi la mousse de cuivre (Cu) comme substrat initial pour développer le WHS en raison de sa conductivité thermique élevée et de ses pores de la taille du micron pour faciliter l'échappement de la vapeur. Ils ont ensuite transformé la surface lisse de Cu en nanoplaques en forme de couteau en utilisant une gravure chimique pour créer des effets de piégeage de la lumière à l'échelle nanométrique et améliorer l'absorption solaire. Ils ont suivi cette étape en revêtant l'absorbeur de surface d'une couche d'oxyde d'aluminium (Al 2 O 3 ) décoré de nanoparticules de noir de carbone (CB) pour protéger la surface et améliorer l'absorption de la lumière solaire dans l'infrarouge (IR).

Pour tester les performances d'évaporation du WHS, Xu et al. eau déminéralisée traitée, 10 pour cent en poids de saumure et 30 pour cent en poids d'eaux usées (contenant une solution de métaux lourds) sous un seul éclairage solaire. Lorsqu'ils surveillaient les taux d'évaporation, les valeurs étaient comparables à celles des absorbeurs solaires à haute performance, comme indiqué précédemment. Lorsqu'ils ont testé l'effet épurateur du dessalement et du traitement des eaux usées via WHS, les concentrations d'ions dans l'eau de mer (Na ⁺ , mg ²⁺ , Californie ²⁺ ) et les eaux usées (Ni ²⁺ , CD ²⁺ ) ou Na ⁺ en saumure ont été considérablement réduits. Les normes de purification répondaient à la norme de l'Organisation mondiale de la santé (OMS) pour l'eau potable ou à la norme de rejet.

Pour tester la stabilité à long terme de l'appareil, Xu et al. mené une continue, expérience de huit heures de traitement solaire de l'eau sous un simulateur solaire en laboratoire pour tenir compte de l'absence de dégradation des performances et de problèmes d'encrassement. Pour ça, ils ont comparé le WHS et un absorbeur solaire conventionnel avec des taux d'évaporation similaires démontrés pour de l'eau pure. Au cours des expériences de dessalement, la surface du WHS est restée propre tout au long de l'évaporation pour indiquer sa capacité antisalissure.

Relativement, sel progressivement accumulé sur la surface de l'absorbeur solaire conventionnel, bloquant l'absorption de la lumière solaire (apport d'énergie). Xu et al. ont noté que le taux d'évaporation moyen du WHS était beaucoup plus élevé que celui de l'absorbeur solaire pendant 8 heures de l'expérience. Lorsqu'ils ont effectué une expérience similaire sur 18 jours à l'extérieur sous la lumière naturelle du soleil, le taux d'évaporation était stable pour le WHS et a diminué pour les absorbeurs solaires conventionnels.

Lors du traitement de la saumure et des eaux usées sous absorption solaire, le WHS a notamment facilité la séparation complète de l'eau et du soluté. Après, les scientifiques ont facilement retiré les cristaux de sel/soluté restants après évaporation complète de l'eau. De cette façon, Ning Xu et ses collègues ont présenté un nouveau dispositif WHS qui peut effectuer une évaporation rapide et stable lors du traitement à long terme de la saumure à haute salinité ou de l'eau salée hautement concentrée. Ils ont obtenu une séparation complète de l'eau et du soluté sans encrassement (accumulation de sel/soluté) sur l'appareil. Les scientifiques s'attendent à ce que l'appareil ait des implications directes dans diverses applications, notamment la production de sel marin, la récupération des ressources et le fractionnement chimique dans un avenir proche.

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