Kot trajnosten način izrabe vodnih virov ima sončno razsoljevanje velik potencial pri reševanju problema nezadostnih virov sveže vode in blaženju pomanjkanja vode. Vendar ima tradicionalna tehnologija razsoljevanja morske vode pogosto težave, kot so visoka poraba energije, zapletena oprema in visoki stroški.
V zadnjih letih so nove tehnologije premazov za razsoljevanje, ki temeljijo na nanomaterialih, postopoma pritegnile pozornost raziskovalcev. Grafen, reduciran z grafenovim oksidom, kot nov dvodimenzionalni material, je pokazal velik potencial pri sončnem razsoljevanju.
V primerjavi s tradicionalnimi premaznimi materiali za razsoljevanje ima rGO prednosti odlične prevodnosti, visoke specifične površine in dobre kemične stabilnosti ter naj bi izboljšal učinkovitost razsoljevanja in zmanjšal porabo energije.
Vendar pa ima rGO sam težave z agregacijo in odlaganjem, kar zmanjšuje njegovo aktivnost in stabilnost. Zato je fiksiranje rGO na penaste materiale za tvorbo kompozitnega premaza iz melaminske pene /rGO postalo učinkovit način za izboljšanje učinkovitosti in stabilnosti razsoljevanja.
S površinsko modifikacijo in krepitvijo nosilnih lastnosti materiala iz pene smo enakomerno fiksirali rGO na površino pene, da bi povečali njeno kontaktno površino s solnimi ioni v vodi. Hkrati sta struktura in debelina rGO prevleke nadzorovani za optimizacijo učinkovitosti in stabilnosti razsoljevanja.
Za globlje razumevanje mehanizma razsoljevanja smo pripravili tudi reducirano peno grafenovega oksida (rGO). Melaminska pena, prevlečena z grafenovim trioksidom, ima lastno porozno mikrostrukturo in hidrofilnost, kar ji omogoča dobro omočljivost in lahko privabi vodo v območje izhlapevanja, kar omogoča hitro dopolnitev vode, hkrati pa se izogne obarjanju soli.
Medfazni sistem izhlapevanja iz melaminske pene, prevlečene z grafenovim oksidom, lahko doseže učinkovitost izhlapevanja v stabilnem stanju 89.6 % pri 1kW m−2 sončnega goriva. Ta medfazni sistem izhlapevanja ima visoko učinkovitost pretvorbe sončne energije v toploto in dobro dolgoročno stabilnost, kar kaže potencial za komercialno razsoljevanje morske vode.
Svetovna energetska kriza in pomanjkanje vode sta trenutno postali glavni grožnji trajnostnemu razvoju človeške družbe. Za zadovoljitev naraščajočega povpraševanja po energiji je razvoj različnih visoko zmogljivih tehnologij za pretvorbo energije in čiščenje vode deležen vse večje pozornosti.
Tehnologija medfaznega izhlapevanja na sončno energijo
Kot obetaven obnovljiv vir energije je sončna energija zaradi svoje izjemno velike zmogljivosti, univerzalnosti, čistosti in večnamenskih zmogljivosti pretvorbe. Pokazal je potencial za zamenjavo fosilnih goriv, ki so bila zadržana s fosilnimi gorivi.
Poleg sončne fotonapetostne tehnologije, ki neposredno proizvaja električno energijo, tudi tehnologija pretvorbe sončno-toplotne energije absorbira sončno energijo in jo pretvarja v toplotno energijo, kar velja za preprost in učinkovit način izkoriščanja sončne energije.
Toplotna energija, pretvorjena iz sončne energije, lahko poganja pomembne industrijske procese, kot so sončne termoelektrarne, sončno razsoljevanje, sterilizacijo, solarne sisteme za ogrevanje vode in druge aplikacije, povezane s toploto. Sončno razsoljevanje je učinkovita rešitev, zlasti za območja brez infrastrukture, saj lahko brez dodatnega vnosa energije črpa sladko vodo iz morske vode.
V zadnjih letih je tehnologija medfaznega izparevanja, ki jo poganja sončna energija, locirala proces pretvorbe sončne toplote na vmesniku tekočina-hlapi in je postala nova tehnologija izkoriščanja sončne energije. V primerjavi s tradicionalnim integralnim ogrevanjem imajo medfazni sistemi izhlapevanja večjo učinkovitost izhlapevanja in hitrejši toplotni odziv ter so potencialna alternativa za razsoljevanje morske vode.
Doslej je bilo izvedenih veliko študij o izboljšanju toplotne učinkovitosti medfaznih izhlapevalnih sistemov. Tipičen medfazni izhlapevalni sistem, ki ga poganja sončna energija, je sestavljen iz treh pomembnih delov:
Sončni absorber z visoko sončno absorpcijo in učinkovito pretvarja sončno sevanje v toplotno energijo; izolator, ki prenese pretvorjeno toploto na vodo v razsutem stanju; in pot dovoda vode, ki neprekinjeno črpa vodo iz vode na površino sončnega absorberja.
V prejšnjih študijah se je veliko raziskovalcev posvetilo izboljšanju celotne učinkovitosti pretvorbe sončne energije v paro s sintezo širokopasovnih materialov in materialov, ki absorbirajo sončno energijo, optimizacijo zasnove novih poti za oskrbo z vodo in izboljšanjem toplotnoizolacijskih struktur.
Doslej so se sistemi za mejno izhlapevanje na sončni pogon uporabljali v številnih industrijskih procesih, inducirani sončni destilaciji, sončni sterilizaciji, sončnem razsoljevanju in pridobivanju sončne energije. Da bi dosegli visoko učinkovitost izhlapevanja sistema, je pomembno raziskati širokopasovno absorpcijo v sončnem spektru materialov, ki absorbirajo sončno svetlobo.
Materiali za absorpcijo sončne energije, ki so bili razviti in raziskani v sistemih za mejno izhlapevanje na sončni pogon, vključujejo predvsem ogljikove materiale, plazmonske delce in spektralno selektivne absorpcijske materiale. Med njimi imajo naravni črni in karbonski materiali močne zmožnosti pretvorbe sončne toplote in so primerni za širokopasovne in visokointenzivne sončne absorberje.
Zaradi visoke stopnje absorpcije sonca, nizkih stroškov in dobre stabilnosti so preučevali številne absorberje sončne energije na osnovi ogljika, vključno z ogljikovimi nanocevkami, grafitom in reduciranim grafenovim oksidom. Po letih razvoja je sistemska učinkovitost pretvorbe sončne energije v paro pri dnevni svetlobi dosegla več kot 90 %.
Čeprav je prišlo do velikih izboljšav pri razvoju materialov, ki absorbirajo sončno energijo, in načrtovanju medfaznih izhlapevalnih struktur, je bila večina predhodno prijavljenih naprav za sončno razsoljevanje posledica kopičenja soli na zgornji površini uparjalnika med postopkom razsoljevanja. Nakopičena sol blokira absorpcijo sonca in blokira porozni uparjalnik, kar povzroči nizko učinkovitost pretvorbe sonca v toploto in slabo učinkovitost izhlapevanja.
Za odstranjevanje nakopičenih soli se običajno uporabljajo tradicionalne fizikalne metode, kot so ultrazvočni valovi in potopitev v vodo, vendar lahko te metode zlahka poškodujejo strukturo izhlapevanja vmesnika.
Da bi zmanjšali kopičenje soli v medfaznih izhlapevalnih sistemih, so se številne študije osredotočile na razvoj hidrofobnega izhlapevanja. Vendar pa hidrofobni uparjalniki omejujejo dovod vode na zgornjo površino in s tem zmanjšajo izhlapevalni učinek sistema. Drug način za rešitev tega problema je uporaba hidrofilnega uparjalnika, ki premakne odvečno sol z zgornje površine v vodo.
Do danes se je veliko študij osredotočilo na načrtovanje hidrofilnih uparjalnikov, kot so membrane iz hidrofilne celulozne tkanine, hidrofilne membrane na papirni osnovi in uparjalniki po biološkem navdihu. Toda razvoj dolgoročno stabilnega in visoko učinkovitega medfaznega sistema izparevanja, ki ga poganja sončna energija, ostaja pomemben izziv.
V tej študiji prikazujemo peno iz reduciranega grafenovega oksida (rGO), ki je odporna na sol, zelo učinkovito absorbira sonce in se hitro odziva na toploto, za medfazno razsoljevanje na sončno energijo pod sončno svetlobo z nizko fluorescenco.
V novi porozni strukturi je bila kot osnova izbrana hidrofilna melaminska pena (MF) , ki ne le poveča površino za absorpcijo sončne svetlobe, temveč tudi izboljša večkratno sipanje.
Površinska hidrofilnost in poroznost melaminske pene, prevlečene z zmanjšanim grafenovim oksidom, zagotavljata zadostno omočenje in zlitje območja pretvorbe sončne toplote ter hitro obnavljanje vode, pri čemer se izogiba kopičenju soli.
Z izkoriščanjem prednosti visoke zmogljivosti melaminske pene, prevlečene z reduciranim grafenovim oksidom, je medfazni sistem na sončno energijo zmožen stopnje pretvorbe sončne energije v paro 89.6 %.
Poleg tega smo z integracijo melaminske pene, prevlečene z reduciranim grafenovim oksidom, v komercialno sončno energijo zasnovali in izdelali napravo za medfazno razsoljevanje morske vode na sončni pogon z učinkovitostjo pretvorbe sonca v vodo 56.4 % pri dnevni svetlobi. Zaradi sončnega razsoljevanja je zbrana čista voda zahtevane kakovosti za pitje.
Z vrhunsko zmogljivostjo izhlapevanja in razširljivostjo materialov za pretvorbo iz sončne v toplotno, ta sistem za medfazno razsoljevanje morske vode na sončni pogon predstavlja široke možnosti uporabe v praktičnih aplikacijah razsoljevanja morske vode.
Razširljivost materialov za prenos toplote za sončno razsoljevanje
Medfazni sistem izhlapevanja na osnovi melaminske pene, prevlečene z reduciranim grafenovim oksidom. Melaminska pena, prevlečena s ter-grafenskim oksidom, je na sredini in je na zunanji strani ovita s plastjo polietilenske (PE) pene, da sestavi sistem za izhlapevanje na površini z mehurčki.
Melaminska pena, prevlečena z grafenovim oksidom, reduciranim s telurijem, se uporablja za hitro absorbiranje vpadnega sončnega sevanja, pretvorbo sončne energije v toploto in ustvarjanje gonilne sile za izhlapevanje na površini. Po drugi strani pa lahko melaminska pena, prevlečena z reduciranim grafenovim oksidom, nenehno črpa slanico v cono izhlapevanja.
Porozna struktura melaminske pene, prevlečene z grafenovim trioksidom, omogoča uhajanje ustvarjene pare v okolje, kar spodbuja zajemanje sončne svetlobe in tako povečuje učinkovitost pretvorbe sonca v toploto. Zmanjšana melaminska pena, prevlečena z grafenovim oksidom, je porozna in hidrofilna, kar ji omogoča, da črpa vodo v zgoraj opisano strukturo izhlapevanja, hkrati pa razgrajuje koncentrirane soli nazaj v morsko vodo.
Med procesom izhlapevanja je koncentracija soli na peni višja od koncentracije morske vode na dnu. Spremembe koncentracije povzročijo, da se sol razgradi v večji del vode. Poleg tega okoliška polietilenska pena ne le zmanjša melaminsko peno, prevlečeno z grafenovim oksidom , temveč se tudi naravno nabira na površini vode in preprečuje izgubo toplote, ki jo povzroča okoliška slana voda.
Vmesniški sistemi za izparevanje lahko neprekinjeno in učinkovito delujejo na vodnih površinah brez potrebe po zapletenih konstrukcijskih načrtih. Poleg tega, ker do izhlapevanja pride na vmesniku plin-tekočina, se lahko medfazni sistem izhlapevanja premika avtonomno, ko se vmesnik umakne.
Melaminska pena, prevlečena z grafenovim oksidom, z zmanjšano vsebnostjo telura, je ključna komponenta sistema za izhlapevanje na površini. Melaminsko peno smo potopili v koloidno suspenzijo grafen oksida, da smo pripravili melaminsko peno, prevlečeno z reduciranim grafen oksidom, nato pa smo grafen oksid s hidrotermalno metodo reducirali v reducirani grafen oksid.
Melaminska pena, prevlečena z reduciranim grafenovim oksidom, s premerom 3.5 cm in debelino 1.6 cm je enostavna za izdelavo, njena barva pa je temno črna.
Hrapavost površine melaminske pene, prevlečene z reduciranim grafenovim oksidom, opažena s tridimenzionalnim optičnim mikroskopom, je pokazala variacijo višine več kot 300 μm. Hrapavo površinsko strukturo kompozitov za sončno toplotno pretvorbo pripisujemo predvsem porozni strukturi melaminske pene, modificiran reducirani grafenov oksid pa prav tako poveča hrapavost površine.
Površinska hrapavost poveča površino sončne absorpcije, hkrati pa poveča večkratno sipanje vpadne sončne svetlobe, s čimer se izboljša učinkovitost pretvorbe sonca v toploto sistema. Mikrostruktura pripravljene melaminske pene pri različnih povečavah. Površina melaminske pene, prevlečena z grafenovim oksidom, kaže nagubano in med seboj povezano mrežno strukturo.
Velikost por melaminske pene, prevlečene z rGO, je med 20 in 40 μm. Struktura odprtih por in nagubana površina olajšata odlaganje grafenovega oksida. Zmanjšana melaminska pena, prevlečena z grafenovim oksidom, ima dobro omočljivost z vodo zaradi hidrofilnosti porozne melaminske pene.
Ko se kapljica vode dotakne površine melaminske pene, prevlečene z reduciranim grafenovim oksidom, se popolnoma vpije v 0.5 sekunde. Hidrofilna površina kompozitov reduciranega grafen oksida lahko hitro vodi drenažo znotraj porozne strukture. Poroznost melaminske pene, prevlečene z reduciranim grafenovim oksidom, je bila določena s primerjavo sprememb mase pred in po absorpciji vode.
Poroznost melaminske pene, prevlečene z grafenovim oksidom, lahko doseže 85.55 %. Absorpcija sončne energije z zmanjšano melaminsko peno, prevlečeno z grafenovim oksidom, neposredno vpliva na učinkovitost pretvorbe sonca v toploto sistema. Za oceno odpornosti na sol smo melaminsko peno, prevlečeno z reduciranim grafenovim oksidom, dali v raztopino natrijevega klorida (3.5 mas. %).
Nato smo na zgornjo površino položili 3 g trdnega natrijevega klorida in melaminsko peno, prevlečeno s Tergo, postavili pri sončni gostoti 1 kW m−2. Količina trdne soli se postopoma raztopi po 120 minutah.
Ko sončna svetloba sije na zgornjo površino melaminske pene, prevlečene z rGO , se temperatura melaminske pene, prevlečene z rGO, v nekaj minutah hitro dvigne in ostane pri 35 °C med celotnim procesom izhlapevanja. Ker je topnost soli odvisna od temperature, višja kot je temperatura, hitreje se sol raztopi in zato se lahko železova sol ponovno raztopi v površinski vodi.
V melaminski peni, prevlečeni z zmanjšanim grafenovim oksidom, ki ima številne pore z visoko sposobnostjo absorpcije vode, ki lahko zagotovijo neprekinjeno oskrbo z vodo na zgornji površini, se lahko soli premaknejo z zgornje površine na podplast vode. Temperaturne spremembe vodijo do sprememb slanosti med zgornjo površino izhlapevanja in telesom.
Da bi dosegli širokopasovno in učinkovito absorpcijo sončne energije, je bila melaminska pena modificirana s porozno hidrofilno melaminsko peno, s čimer se je povečala površina sončne absorpcije in povečalo večkratno sipanje.
Sistem sončnega medfaznega izhlapevanja, ki temelji na melaminski peni, prevlečeni z rGO, kaže hiter toplotni odziv pri gostoti sončne moči 1 kW m−2 in dosega enakomerno učinkovitost pretvorbe sončne toplote 89.6 %.
Nazadnje smo integrirali uparjalnik iz melaminske pene, prevlečen z zmanjšanim grafenovim oksidom, v solarno destilacijsko napravo, ki lahko proizvede 56.4 % pitne vode z akumulacijo soli pri 1 kW m−2.
Predvidevamo, da bi to napravo za medfazno razsoljevanje na sončni pogon lahko uporabljali na izoliranih otokih ali v oceanu za zbiranje pitne vode iz bogatih morskih ali drugih virov slane vode.
zaključek
Razsoljevanje Melaminska pena, prevlečena z rGO, ima kot inovativna in učinkovita tehnologija sončnega razsoljevanja velik potencial in možnosti uporabe. Ne more le zagotoviti zanesljivih virov sveže vode za območja s pomanjkanjem vode, ampak tudi zmanjša odvisnost od tradicionalne energije, zmanjša porabo energije in onesnaževanje okolja.
Rezultati te raziskave bodo pomembno prispevali k reševanju globalnega problema pomanjkanja sladkovodnih virov in spodbujali uresničevanje trajnostnega razvoja.
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.