Medfazno izhlapevanje na sončni osnovi (SIE) velja za eno najbolj obetavnih tehnologij za zmanjšanje pomanjkanja sladke vode zaradi svoje sposobnosti učinkovite uporabe sončne energije za proizvodnjo sladke vode. Poleg tega imajo sončni uparjalniki edinstvene prednosti pri čiščenju koncentrirane slane odpadne vode . Postopek izhlapevanja kot stranski produkt proizvaja le kristale soli, s čimer se doseže ničelni izpust tekočine. Vendar pa kopičenje soli v uparjalniku ovira absorpcijo svetlobe in vpliva na uhajanje pare, kar na koncu povzroči zmanjšanje učinkovitosti izhlapevanja uparjalnika ali celo okvaro.
Da bi ublažili to težavo, so nekateri raziskovalci predlagali strategijo "kroženja soli". To pomeni, da je zasnovana pot kroženja za raztopino, ki omogoča, da se ioni soli vrnejo v slanico, s čimer se prepreči kristalizacija soli na površini izhlapevanja, s čimer se doseže neprekinjeno in stabilno izhlapevanje. Vendar pa bo ta metoda povzročila povečanje slanosti raztopine, problem kristalizacije soli pa je še vedno neizogiben.
Druga rešitev je strategija »izsoljevanja«. To pomeni, da je struktura regulirana tako, da sol prednostno kristalizira v območju brez izhlapevanja, s čimer se zmanjša vpliv kristalizacije soli na učinkovitost izhlapevanja in s tem doseže hkratno zbiranje soli in sladke vode. Vendar se strategija »izsoljevanja« v praktični uporabi še vedno sooča z nekaterimi resnimi izzivi.
Prvič, enodimenzionalni transport slanice omejuje absorpcijsko zmogljivost, kar znatno zmanjša skupno hitrost izhlapevanja. Drugič, strategija kristalizacije soli zahteva redno odstranjevanje kristalov soli, ki zaradi močne adhezije težko samodejno odpadejo s površine uparjalnika. Če se nakopičena sol ne odstrani pravočasno, se bo učinkovitost izhlapevanja neizogibno zmanjšala. Poleg tega številni visoko učinkoviti sončni uparjalniki zahtevajo nevarne ali dolgotrajne pripravljalne postopke, kot so toplotna obdelava z visokim tlakom, nizkim vakuumom ali visoko temperaturo.
Zato je razvoj trpežnega sončnega uparjalnika za doseganje dolgoročnega, učinkovitega in stabilnega izhlapevanja vode ter zbiranja soli s preprostim postopkom priprave za razsoljevanje brez izpustov tekočine nedosežen znanstveni cilj.
Na podlagi zgornjih izzivov je raziskovalna ekipa Prve medicinske univerze Shandong pripravila tridimenzionalni gradientni grafenski spiralni aerogelni uparjalnik, ki lahko doseže učinkovito sončno izhlapevanje visoko koncentrirane slane vode in ne povzroči izpusta tekočine.
Da bi izpolnili stroge zahteve sončnih uparjalnikov glede učinkovite absorpcije sončne svetlobe, polnega izkoriščanja energije, odlične odpornosti na sol in dolgoročne stabilnosti, se je zasnova projekta osredotočila predvsem na naslednje štiri ključne točke:
Osredotočenost na strukturno zasnovo in izboljšanje kemijske stabilnosti
Uparjalnik mora imeti močno mrežno strukturo in kemijsko stabilnost, kar je ključnega pomena za doseganje dolgoročnega, učinkovitega in stabilnega sončnega razsoljevanja. Zato so kot nosilni ogrodje sončnega uparjalnika izbrali nizkocenovno, superhidrofilno, visoko porozno in visoko odporno melaminsko peno .
Nato so preučevali mehanske lastnosti grafenskih aerogelov z melaminsko peno kot ogrodjem v več načinih, vključno s stiskanjem, upogibanjem in napetostjo, da bi celovito ocenili njihove mehanske lastnosti.
Da bi dodatno preverili njegovo robustnost in vzdržljivost v dejanskih pogojih uporabe, je raziskovalna skupina izvedla teste v različnih ekstremnih pogojih.
Natančneje, vzorec so večkrat 20-krat upognili v zraku in vodi, ga namočili v kislih in alkalnih raztopinah ter ga postavili v zahtevna okolja, kot sta visoka temperatura in ultrazvočno mešanje.
Po teh strogih testih niso odkrili bistvenih sprememb v videzu in mikrostrukturi vzorca, kar je v celoti dokazalo njegovo odlično vzdržljivost in strukturno stabilnost.
Osredotočenost na poenostavitev in ekonomsko izboljšanje proizvodnih procesov
Da bi dosegli preprostost in ekonomičnost v proizvodnem procesu uparjalnika ter se izognili uporabi drage opreme, so zasnovali naslednje korake priprave:
Prvi korak je vroče stiskanje
Raziskovalna skupina je s pomočjo tehnologije vročega stiskanja stisnila melaminske pene različnih debelin, da bi dobila predhodno stisnjen melaminski film debeline 1 mm.
Med tem postopkom se z naraščanjem razmerja med prvotno debelino vzorca in končno stisnjeno debelino velikost por predhodno stisnjene melaminske folije fino regulira od 150 μm do 20 μm , kar tvori edinstveno tridimenzionalno gradientno mrežno strukturo.
Drugi korak je površinsko škropljenje
Suspenzijo grafenovega oksida enakomerno popršite po površini predhodno stisnjene melaminske folije z razpršilko . Dosežena je bila enakomerna porazdelitev grafenovega oksida v foliji, kar je postavilo temelje za kasnejšo sončno redukcijo.
Tretji korak je sušenje pod atmosferskim tlakom
Po pršenju so film postavili neposredno na zrak za naravno sušenje na zraku. S tem korakom se izognejo zapletenim, dolgotrajnim in energetsko potratnim postopkom priprave, kot so liofilizacija, superkritično sušenje in zamenjava topila.
Četrti korak je zmanjšanje sončne svetlobe
To pomeni, da se vzorec usmeri s povečevalnim steklom na sončno svetlobo. Pod vplivom ultravijoličnih žarkov se barva površine vzorca hitro spremeni iz rjave v črno, kar kaže na uspešno reduciranje grafenovega oksida v reducirani grafenov oksid.
Ta metoda sončne redukcije ni le enostavna za uporabo in okolju prijazna, temveč tudi ne zahteva uporabe kemičnih redukcijskih sredstev ali visokotemperaturnih termičnih redukcijskih postopkov, kar znatno zmanjša proizvodne stroške in onesnaževanje okolja.
Osredotočenost na učinkovito absorpcijo sončne energije in zmanjšanje izgub energije
Sončni uparjalniki ne smejo le absorbirati in pretvoriti širokega spektra sončne energije v toplotno energijo, temveč tudi zmanjšati izgube energije zaradi difuznega odboja in toplotnega sevanja ter zajeti dodatno energijo iz okolja. Proces izhlapevanja na sončnem vmesniku nadzirajo trije energijski tokovi: vhodna sončna energija, izhodna energija izhlapevanja in energija, ki se odda v okolje.
Žal se konvencionalni dvodimenzionalni sončni uparjalniki soočajo s težavami z odvajanjem energije zaradi izmenjave toplote z okolico, zaradi česar je težko doseči idealno 100-odstotno učinkovitost pretvorbe sončne energije v paro. Nasprotno pa lahko tridimenzionalni sončni uparjalniki presežejo teoretično mejo učinkovitosti pretvorbe sončne energije v paro.
Da bi zmanjšali izgubo energije, ki jo povzročata difuzni odboj in toplotno sevanje na zgornji površini tridimenzionalnega vzorca, je ekipa zasnovala tridimenzionalni spiralni konkavni grafenski aerogel.
Ta struktura nima le večje absorpcije in nižje odbojnosti, temveč lahko njene stranske stene absorbirajo tudi toploto okolice in toploto, ki se difuzno odbija od dna, kar omogoča učinkovito rekuperacijo energije.
Osredotočenost na optimizacijo tolerance soli in upravljanje kristalizacije soli
To pomeni, da se z zasnovo edinstvenega transportnega kanala spodbuja radialni transport slanice, kar vodi do usmerjene kristalizacije soli. Ta zasnova ne le učinkovito preprečuje odlaganje in zamašitev soli na površini uparjalnika, temveč tudi omogoča učinkovito zbiranje in izkoriščanje soli, s čimer se znatno izboljša učinkovitost in trajnost procesa razsoljevanja.
Natančneje, zasnovali in pripravili so tridimenzionalno gradientno grafensko mrežno strukturo na osnovi predhodno stisnjene porozne melaminske folije . Ta gradientna grafenska mreža, ki je znotraj redka in zunaj gosta, lahko tvori radialno razliko kapilarnih sil, ki spodbuja radialni transport slanice. Ko se para še naprej proizvaja, radialni tok slanice poveča koncentracijo slanice na zunanji površini, zaradi česar sol kristalizira usmerjeno na zunanji površini in ne na notranji. Ta zasnova zagotavlja, da notranja površina uparjalnika ohranja zadostno površino izhlapevanja, s čimer se doseže učinkovito in stabilno sončno izhlapevanje.
Omeniti velja, da uparjalnik za kristalizacijo soli uporablja celotno zunanjo površino, zaradi česar je kristalizacijsko območje veliko večje kot pri drugih uparjalnikih z usmerjeno kristalizacijo.
Kristali soli so sestavljeni predvsem iz rahlo zloženih kristalov soli z obilnimi porami, ki so koristne za transport slanice in sproščanje pare.
Poleg tega je zaradi učinka izhlapevalnega hlajenja površinska temperatura plasti soli nižja od temperature okolice. Ta lastnost omogoča uparjalniku, da absorbira več energije iz okolja, kar dodatno izboljša učinkovitost izhlapevanja.
Vir članka: Deep Tech
Raziskovalna skupina: Raziskovalna skupina ekipe Prve medicinske univerze Shandong
Članek je citiran s spletne strani: https://www.163.com/dy/article/J1RENDEH05119734.html
Za več informacij o melaminski peni SINOYQX nas kontaktirajte na [email protected] ali nam pošljite telefonsko številko: +86-28-8411-1861.
Nekatere slike in besedila so reproducirana z interneta, avtorske pravice pa pripadajo izvirnemu avtorju. Če pride do kakršnih koli kršitev, se obrnite na nas za izbris.