Modelagem Matemática para Processo de Dessalinização de Água do Mar Movido a Energia Solar sobre Leito de Espumas de Células Abertas Sólidas Baseado em Membrana de Contato Direto (MCD): Um Estudo de Simulação

Resumo

Espera-se que a escassez de água doce seja um dos maiores riscos para a sociedade no futuro, uma vez que a demanda global de água tem aumentado constantemente a um ritmo de cerca de 1% ao ano, com um acumulado esperado de 30% até 2050 (UN, 2019). Por esse motivo, a capacidade de sustentabilidade do mundo nas próximas décadas será severamente prejudicada por recursos de água limpa e energia que estão intimamente ligados. Para atender essa demanda, a dessalinização da água do mar é uma opção interessante, uma vez que esta representa mais de 96% do total da água global. Nesse sentido, a tecnologia de dessalinização movida a energia solar pode ser uma maneira promissora de produzir água doce a partir da água do mar usando a membrana de contato direto (MCD) para a produção de água destilada de alta qualidade (Ali et al., 2018). A destilação MCD é um sistema de membrana térmica híbrido que usa uma diferença de pressão de vapor criada por um gradiente de temperatura através de uma membrana hidrofóbica (Golubev et al., 2021). Devido à alta porosidade das espumas de células abertas sólidas, leitos compactados construídos com partículas β-SiC são excelentes absorvedores de energia térmica solar e podem ser usados para melhorar o processo de evaporação impulsionado pela luz solar (Voltolina et al., 2017). Este trabalho teve como objetivo principal a modelagem matemática para descrever o processo de dessalinização de água do mar movido a energia solar térmica em espumas sólidas de célula aberta (β-SiC) usando a tecnologia MCD. Em princípio, realizou-se um levantamento bibliográfico para determinar como seriam descritas matematicamente as equações de balanço de massa, energia e momento no sistema antes e após a destilação, (Rafiei et al., 2020) sendo construído um modelo esquemático do mesmo. Foram coletados dados de irradiação solar, temperatura ambiente e a velocidade do vento entre os anos de 2015 a 2020 na região metropolitana de Recife, no estado de Pernambuco, durante os doze meses de cada ano, sendo escolhidos apenas os dados de 2020 para o trabalho. Após montado o modelo matemático, o mesmo foi resolvido pelo método de volumes finitos (MVF) em conjunto com as condições iniciais e de contorno prescritas para analisar o desempenho do módulo de destilação MCD. Para fins de validação, os resultados obtidos, após computados por código desenvolvido pelos autores, foram comparados com aqueles encontrados na literatura para diferentes perfis de temperatura (Elhenawy et al., 2020). A conclusão foi uma concordância satisfatória entre os dados experimentais da literatura e os deste trabalho. Também foi concluído que o lado da concha do módulo de destilação MCD, quando preenchido com partículas, aumenta os perfis de temperatura do vapor de água devido à melhoria na transferência de calor.