Explorando el futuro de la desalinización: una revisión exhaustiva de los sistemas de evaporación solar interfacial

Por Tsinghua University Press 26 de abril de 2023

Diagrama de las tres estrategias generales para construir sistemas eficientes de evaporación solar interfacial para aliviar la escasez mundial de agua dulce. Crédito: Nano Research Energy, Tsinghua University Press

La tecnología ISE ofrece soluciones sostenibles para la producción de agua limpia, y los investigadores proponen estrategias para aplicaciones prácticas.

La evaporación solar interfacial (ISE) es una tecnología de desalinización prometedora que aprovecha la energía solar para purificar el agua de una manera sostenible y respetuosa con el medio ambiente. Los investigadores han publicado recientemente un estudio de revisión en la revista Nano Research Energy, examinando estrategias para construir sistemas ISE eficientes. Ofrecen cinco recomendaciones para hacer avanzar la tecnología hacia aplicaciones prácticas, incluida la introducción de nuevas fuentes de energía, la exploración de nuevos materiales fototérmicos, la creación de diseños innovadores de evaporadores fototérmicos, la mejora de la producción de agua en espacios limitados y el desarrollo de sistemas ISE a gran escala. El equipo cree que ISE tiene el potencial para abordar los problemas de escasez de agua limpia a nivel mundial, pero reconoce que se necesita más trabajo para avanzar en las aplicaciones del mundo real.

El agua dulce es esencial para la vida humana y la escasez de agua dulce es un problema crítico en algunas partes del mundo en la actualidad. En los últimos años, los científicos se han esforzado mucho en desarrollar tecnologías de desalinización para que se pueda producir agua limpia a partir del agua de mar. La evaporación solar interfacial (ISE) es una tecnología que promete ayudar a aliviar la escasez de agua dulce en todo el mundo. Un equipo de investigadores ha llevado a cabo un estudio de revisión de las estrategias disponibles para construir sistemas ISE eficientes.

Su trabajo se publicó recientemente en la revista Nano Research Energy.

El artículo del equipo examina el nexo energético en evaporadores solares bidimensionales y tridimensionales y revisa las estrategias para el diseño y fabricación de sistemas ISE altamente eficientes. Su trabajo resumido ofrece perspectivas para guiar el diseño futuro de los sistemas ISE hacia aplicaciones prácticas.

ISE es una tecnología de desalinización que produce agua dulce a través de un proceso que es a la vez respetuoso con el medio ambiente y sostenible. Con esta tecnología, se aprovecha la energía solar para evaporar y purificar el agua. La tecnología utiliza evaporadores fototérmicos para convertir el calor de la luz solar y localizarlo en la superficie de evaporación para generar vapor de manera eficiente en lugar de disiparlo en el agua y el medio ambiente.

Las tecnologías tradicionales de desalinización, como la filtración por membrana y la destilación térmica, consumen grandes cantidades de electricidad derivada de combustibles fósiles, por lo que no se consideran respetuosas con el medio ambiente. Los científicos continúan buscando nuevas tecnologías de desalinización que utilicen fuentes de energía ecológicas y sostenibles. El trabajo reciente en tecnologías ISE se ha centrado principalmente en optimizar la gestión de la energía. Los investigadores han mejorado el material fototérmico y el diseño del evaporador con el objetivo de lograr un uso de energía más eficiente. Esto se logra a través de tres vías: minimizando la pérdida de energía del sistema de evaporación hacia el medio ambiente, extendiendo la entrada de energía del medio ambiente para mejorar el proceso de evaporación y reduciendo la entalpía de evaporación para que el proceso de vaporización sea más eficiente.

La revisión del equipo resume sistemáticamente estas vías para mejorar el rendimiento práctico de la evaporación solar. "Demostramos claramente que la tasa de evaporación se puede mejorar significativamente mediante la aplicación de materiales con conversión de luz a calor altamente eficiente o el diseño de estructuras de evaporadores de última generación con estrategias inteligentes de gestión de energía", dijo Li Yu, profesor de la Universidad Tecnológica de Shenzhen.

"Los principios fundamentales para lograr una evaporación solar altamente eficiente incluyen evitar la pérdida de energía de los sistemas de evaporación hacia el medio ambiente, expandir la entrada de energía del aire circundante y el agua a granel, aprovechar al máximo la energía existente que ya está en los sistemas de evaporación y reducir la evaporación. entalpía", dijo Haolan Xu, profesor de la Universidad de Australia Meridional.

El equipo ofrece cinco recomendaciones a tener en cuenta al llevar los sistemas ISE de próxima generación a aplicaciones prácticas:

La primera recomendación es introducir nuevas fuentes de energía para ISE. Debido a que la intensidad de la luz solar varía significativamente, es importante explorar nuevas fuentes de energía para los sistemas ISE de todo el día, todo clima y todas las estaciones.

The second recommendation is to continuously explore novel photothermal materials. The team suggests that the next-stage development of photothermal materials needs to focus on maximizing the use of thermal energy in both macroscale and micro-nanoscaleThe nanoscale refers to a length scale that is extremely small, typically on the order of nanometers (nm), which is one billionth of a meter. At this scale, materials and systems exhibit unique properties and behaviors that are different from those observed at larger length scales. The prefix "nano-" is derived from the Greek word "nanos," which means "dwarf" or "very small." Nanoscale phenomena are relevant to many fields, including materials science, chemistry, biology, and physics." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">nanoescala

La tercera recomendación es explorar diseños innovadores para evaporadores fototérmicos. Estos evaporadores de próxima generación deberían maximizar la recolección de energía y la evaporación del agua, al tiempo que mejoran el flujo de agua para garantizar un suministro y una evaporación de agua equilibrados.

La cuarta recomendación es mejorar la producción de agua en un espacio limitado. En un sistema ISE, la evaporación y la recolección de agua son dos partes principales. Aunque los investigadores han logrado tasas de evaporación solar muy altas, rara vez se informa de una recolección de agua altamente eficiente. Los sistemas ISE de próxima generación deben tener un módulo de evaporación de agua excelente y un módulo de condensación de vapor eficiente que quepa en un espacio compacto.

La quinta recomendación del equipo se centra en la importancia de desarrollar sistemas ISE a gran escala para aplicaciones prácticas, como la desalinización de agua de mar y el tratamiento de aguas residuales. Sugieren que los evaporadores pequeños se produzcan como unidades y se ensamblen para formar un sistema interconectado más grande.

Mirando hacia el futuro, el equipo ve el potencial de las tecnologías ISE que brindan aplicaciones prácticas para resolver el problema de escasez de agua dulce. "En el contexto actual de escasez mundial de agua limpia y defensa de las tecnologías de bajas emisiones de carbono, ISE ahora se acepta como una de las tecnologías más prometedoras para resolver los problemas de escasez mundial de agua limpia. Sin embargo, todavía queda un largo camino por recorrer para impulsar adelante las aplicaciones del mundo real de la tecnología ISE", dijo Yingying Zhang, profesor de la Universidad de Tsinghua.

Referencia: "Estrategias recientes para construir sistemas eficientes de evaporación solar interfacial" por Yida Wang, Junqing Hu, Li Yu, Xuan Wu, Yingying Zhang y Haolan Xu, 28 de marzo de 2023, Nano Research Energy.DOI: 10.26599/NRE.2023.9120062

El equipo de investigación incluye a Yida Wang de la Universidad de Tsinghua y la Universidad de Australia del Sur; Junqing Hu y Li Yu de la Universidad Tecnológica de Shenzhen; Xuan Wu y Haolan Xu de la Universidad de Australia Meridional; y Yingying Zhang de la Universidad de Tsinghua.

La investigación está financiada por la Fundación Nacional de Ciencias Naturales de China, el Programa Nacional Clave de Investigación y Desarrollo Básico, el Proyecto de Investigación de Ciencia y Tecnología de Shenzhen y el Consejo de Investigación de Australia.