Explorer l'avenir du dessalement : un examen complet des systèmes d'évaporation solaire interfaciale

Par Tsinghua University Press26 avril 2023

Schéma des trois grandes stratégies de construction de systèmes d'évaporation solaire interfaciaux efficaces pour soulager les pénuries d'eau douce dans le monde. Crédit : Nano Research Energy, Tsinghua University Press

La technologie ISE offre des solutions durables pour la production d'eau propre, les chercheurs proposant des stratégies pour des applications pratiques.

L'évaporation solaire interfaciale (ISE) est une technologie de dessalement prometteuse qui exploite l'énergie solaire pour purifier l'eau de manière écologique et durable. Les chercheurs ont récemment publié une étude de synthèse dans la revue Nano Research Energy, examinant les stratégies de construction de systèmes ISE efficaces. Ils proposent cinq recommandations pour faire progresser la technologie vers des applications pratiques, notamment l'introduction de nouvelles sources d'énergie, l'exploration de nouveaux matériaux photothermiques, la création de conceptions innovantes d'évaporateurs photothermiques, l'amélioration de la production d'eau dans des espaces limités et le développement de systèmes ISE à grande échelle. L'équipe estime que l'ISE a le potentiel de résoudre les problèmes mondiaux de pénurie d'eau potable, mais reconnaît que davantage de travail est nécessaire pour faire progresser les applications dans le monde réel.

L'eau douce est essentielle à la vie humaine et la rareté de l'eau douce est un problème critique dans certaines parties du monde aujourd'hui. Ces dernières années, les scientifiques ont déployé de grands efforts pour développer des technologies de dessalement afin de produire de l'eau propre à partir de l'eau de mer. L'évaporation solaire interfaciale (ISE) est une technologie prometteuse pour aider à soulager les pénuries d'eau douce dans le monde. Une équipe de chercheurs a entrepris une étude d'examen des stratégies disponibles pour construire des systèmes ISE efficaces.

Leurs travaux ont été publiés récemment dans la revue Nano Research Energy.

Le document de l'équipe examine le lien énergétique dans les évaporateurs solaires bidimensionnels et tridimensionnels et passe en revue les stratégies de conception et de fabrication de systèmes ISE hautement efficaces. Leurs travaux résumés offrent des perspectives pour orienter la conception future des systèmes ISE vers des applications pratiques.

ISE est une technologie de dessalement qui produit de l'eau douce grâce à un processus à la fois respectueux de l'environnement et durable. Grâce à cette technologie, l'énergie solaire est exploitée pour évaporer et purifier l'eau. La technologie utilise des évaporateurs photothermiques pour convertir la chaleur de la lumière du soleil afin qu'elle soit localisée à la surface d'évaporation pour une génération de vapeur efficace au lieu de la dissipation dans l'eau en vrac et l'environnement.

Les technologies traditionnelles de dessalement telles que la filtration membranaire et la distillation thermique consomment de grandes quantités d'électricité dérivée de combustibles fossiles, elles ne sont donc pas considérées comme respectueuses de l'environnement. Les scientifiques continuent de rechercher de nouvelles technologies de dessalement qui utilisent des sources d'énergie vertes et durables. Les travaux récents dans les technologies ISE se sont concentrés principalement sur l'optimisation de la gestion de l'énergie. Les chercheurs ont amélioré la conception des matériaux photothermiques et des évaporateurs dans le but d'atteindre une utilisation plus efficace de l'énergie. Ceci est réalisé par trois voies : minimiser la perte d'énergie du système d'évaporation vers l'environnement, étendre l'apport d'énergie de l'environnement pour améliorer le processus d'évaporation et réduire l'enthalpie d'évaporation afin que le processus de vaporisation soit plus efficace.

L'examen de l'équipe résume systématiquement ces voies pour améliorer les performances pratiques d'évaporation solaire. « Nous démontrons clairement que le taux d'évaporation peut être considérablement amélioré soit en appliquant des matériaux avec une conversion lumière-chaleur très efficace, soit en concevant une structure d'évaporateurs de pointe avec des stratégies intelligentes de gestion de l'énergie », a déclaré Li Yu, professeur à l'Université de technologie de Shenzhen.

« Les grands principes pour obtenir une évaporation solaire hautement efficace consistent à éviter les pertes d'énergie des systèmes d'évaporation vers l'environnement, à augmenter l'apport d'énergie de l'air ambiant et de l'eau en vrac, à utiliser pleinement l'énergie existante déjà dans les systèmes d'évaporation et à réduire l'enthalpie d'évaporation », a déclaré Haolan Xu, professeur à l'Université d'Australie du Sud.

L'équipe propose cinq recommandations à prendre en compte pour faire évoluer les systèmes ISE de nouvelle génération vers des applications pratiques :

La première recommandation est d'introduire de nouvelles sources d'énergie pour l'ISE. Étant donné que l'intensité de la lumière solaire varie considérablement, il est important d'explorer de nouvelles sources d'énergie pour les systèmes ISE toute la journée, tous les temps et toutes les saisons.

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"}]">à l'échelle nanométrique.

La troisième recommandation est d'explorer des conceptions innovantes pour les évaporateurs photothermiques. Ces évaporateurs de nouvelle génération devraient maximiser la récolte d'énergie et l'évaporation de l'eau, tout en améliorant le débit d'eau pour assurer un approvisionnement en eau et une évaporation équilibrés.

La quatrième recommandation est d'améliorer la production d'eau dans un espace limité. Dans un système ISE, l'évaporation et la collecte de l'eau sont deux parties principales. Bien que les chercheurs aient atteint des taux d'évaporation solaire très élevés, une collecte d'eau très efficace est rarement signalée. Les systèmes ISE de nouvelle génération doivent disposer d'un excellent module d'évaporation d'eau et d'un module de condensation de vapeur efficace qui tient dans un espace compact.

La cinquième recommandation de l'équipe porte sur l'importance de développer des systèmes ISE à grande échelle pour des applications pratiques, telles que le dessalement de l'eau de mer et le traitement des eaux usées. Ils suggèrent que les petits évaporateurs soient produits en tant qu'unités et assemblés pour former un système interconnecté plus grand.

Pour l'avenir, l'équipe voit le potentiel des technologies ISE offrant des applications pratiques pour résoudre le problème de la rareté de l'eau douce. « Dans le contexte actuel de pénurie mondiale d'eau potable et de plaidoyer en faveur de technologies à faibles émissions de carbone, l'ISE est désormais acceptée comme l'une des technologies les plus prometteuses pour résoudre les problèmes mondiaux de pénurie d'eau potable. Cependant, il reste encore un long chemin à parcourir pour faire avancer les applications réelles de la technologie ISE », a déclaré Yingying Zhang, professeur à l'Université Tsinghua.

Référence : "Recent strategies for constructing efficient interfacial solar evaporation systems" par Yida Wang, Junqing Hu, Li Yu, Xuan Wu, Yingying Zhang et Haolan Xu, 28 mars 2023, Nano Research Energy.DOI : 10.26599/NRE.2023.9120062

L'équipe de recherche comprend Yida Wang de l'Université Tsinghua et de l'Université d'Australie du Sud ; Junqing Hu et Li Yu de l'Université de technologie de Shenzhen ; Xuan Wu et Haolan Xu de l'Université d'Australie du Sud ; et Yingying Zhang de l'Université Tsinghua.

La recherche est financée par la National Natural Science Foundation of China, le National Key Basic Research and Development Program, le Shenzhen Science and Technology Research Project et le Australian Research Council.