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Jun 10, 2024

Cupola

Scientific Reports volume 12, Numero articolo: 4403 (2022) Cita questo articolo 4367 Accessi 5 Citazioni 1 Dettagli metriche altmetriche Sistemi di evaporazione dell'acqua con energia solare come motore principale

Rapporti scientifici volume 12, numero articolo: 4403 (2022) Citare questo articolo

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Negli ultimi anni i sistemi di evaporazione dell’acqua che utilizzano l’energia solare come energia primaria hanno ricevuto grande attenzione. Questo lavoro studia il metodo di preparazione e le prestazioni degli evaporatori di idrogel utilizzando chitosano e alcol polivinilico (PVA) come struttura e nanoparticelle di carbonio (CNP) come materiale fototermico. La velocità di evaporazione dell'idrogel CPC (chitosano/PVA e CNP) ottenuto raggiunge 2,28 kg m−2 h−1. Contemporaneamente, in questo studio viene progettata una struttura tridimensionale basata sul sistema di evaporazione a doppio strato bidimensionale. Viene progettato un evaporatore con una struttura a minuscola piscina e un idrogel con una struttura a cupola. Queste due strutture raggiungono velocità di evaporazione altamente efficienti di 2,28 kg m−2 h−1 e 3,80 kg m−2 h−1, rispettivamente. Questi design ottimizzati migliorano il tasso di evaporazione dell'intero sistema di circa il 66,7%. I dispositivi di evaporazione sviluppati forniscono un percorso promettente per lo sviluppo di evaporatori a doppio strato, che promuovono il nuovo sviluppo della purificazione dell’acqua con un sistema di evaporazione a energia solare.

L’acqua è la risorsa più preziosa per il mantenimento della sopravvivenza umana e dello sviluppo economico1,2. Tuttavia, la quantità di acqua dolce sulla superficie terrestre è limitata e non in grado di soddisfare la crescente domanda. Allo stesso tempo, l'oceano copre oltre il 70% della superficie terrestre2. Pertanto, il problema della conversione dell’acqua di mare in acqua dolce per l’utilizzo umano è un argomento vitale su cui molti ricercatori stanno lavorando per favorire la sostenibilità delle società umane.

Le tradizionali fabbriche di evaporazione dell'acqua si basano sul petrolio. Questo metodo provoca un significativo inquinamento delle acque reflue e emissioni di gas serra. Al fine di ridurre l’inquinamento ambientale e i costi monetari, i ricercatori sono spinti a utilizzare una fonte rinnovabile come energia trainante per l’evaporazione3. Il sistema di generazione di vapore a energia solare è un metodo in grado di convertire facilmente l’acqua di mare in acqua dolce grazie all’abbondante energia solare rinnovabile e pulita4. La distillazione solare imita il ciclo naturale dell’acqua, in cui il sole riscalda l’acqua di mare fino al punto di evaporazione5. Dopo l'evaporazione, il vapore acqueo si condensa su una superficie più fredda. In generale, i sistemi di generazione di vapore acqueo alimentati dall’energia solare possono essere suddivisi in due tipologie. Uno utilizza celle fotovoltaiche (PV) che convertono l’energia solare in elettricità per alimentare il processo di evaporazione. L'altro utilizza l'energia termica solare direttamente come energia motrice per l'evaporazione. Il sistema di desalinizzazione PV comprende l'osmosi inversa (RO) e l'elettrodialisi (ED). Il sistema solare termico comprende flash multistadio (MSF), distillazione multieffetto (MED), compressione di vapore (VC), desalinizzazione a congelamento (FD) e distillazione a membrana (MD)6.

Lo scopo principale dell'attuale ricerca sul sistema di desalinizzazione solare termica è migliorare l'efficienza fototermica e la qualità dell'acqua distillata dopo la purificazione. I ricercatori sono impegnati a migliorare il tasso di assorbimento del calore dell'assorbitore di luce, la capacità di intrappolare la luce solare sulla superficie gas-liquido e l'area superficiale utilizzabile dell'assorbitore di luce per unità di area di proiezione, poiché questi sono fattori chiave nella creazione di un sistema di desalinizzazione altamente efficace .

Il sistema a doppio strato è costituito da un assorbitore di luce con prestazioni di assorbimento a banda larga, una barriera di isolamento termico e un canale d'acqua idrofilo per trasferire l'acqua di mare all'assorbitore di luce. Questo sistema con un'eccellente efficienza di evaporazione è stato ampiamente studiato. Nel 2013, Omara et al.7 hanno progettato un sistema di distillazione di desalinizzazione a due livelli utilizzando uno scaldacqua solare evacuato, il geotessile Jut e un distillatore solare. Questo sistema solare a doppio strato (DLSW) ha comunque aumentato la produttività dell'acqua del 114%. L'efficienza media giornaliera del DLSW era del 71,5% e la produttività dell'acqua distillata aumentava del 215% se l'acqua calda salmastra veniva alimentata durante la notte. Lee et al.8 hanno proposto una membrana microporosa super idrofila isolata termicamente composta da saccarosio carbonizzato e polidimetilsilossano come efficiente evaporatore solare, che ha raggiunto un tasso di produzione di acqua purificata di 1,28 kg m−2 h−1. Nel loro studio, l’energia solare viene utilizzata come unica energia motrice. L'assorbitore di conversione fototermica riceve l'energia solare dalla luce solare e riscalda l'acqua all'interno della struttura porosa9. Richiede prestazioni di assorbimento dello spettro a banda larga e un'elevata efficienza di conversione fototermica.