Слънчево задвижваното междинно изпарение (SIE) се счита за една от най-обещаващите технологии за облекчаване на недостига на прясна вода, поради способността си ефективно да използва слънчевата енергия за производство на прясна вода. Освен това, слънчевите изпарители имат уникални предимства при третирането на концентрирани солени отпадъчни води . Процесът на изпаряване произвежда само солни кристали като страничен продукт, като по този начин се постига нулево изпускане на течност. Натрупването на сол в изпарителя обаче ще възпрепятства абсорбцията на светлина и ще повлияе на отделянето на пара, което в крайна сметка ще доведе до намаляване на изпарителната производителност на изпарителя или дори до повреда.
За да облекчат този проблем, някои изследователи са предложили стратегия за „циркулация на солта“. Тоест, за разтвора е проектиран път на циркулация, който позволява на йоните на солта да се връщат обратно в саламурата, като по този начин предотвратява кристализирането на сол върху повърхността на изпаряване, като по този начин се постига непрекъснато и стабилно изпарение. Въпреки това, този метод ще доведе до увеличаване на солеността на разтвора и проблемът с кристализацията на солта все още е неизбежен.
Друго решение е стратегията „отсоляване“. Това означава, че структурата е регулирана така, че солта да кристализира за предпочитане в зоната без изпаряване, като по този начин се намалява влиянието на кристализацията на солта върху ефективността на изпаряване, като по този начин се постига едновременно събиране на сол и прясна вода. Стратегията за „осоляване“ обаче все още е изправена пред някои сериозни предизвикателства при практическото приложение.
Първо, едномерният транспорт на саламура ограничава абсорбционния капацитет, като значително намалява общата скорост на изпарение. На второ място, стратегията за кристализация на солта изисква редовно отстраняване на солните кристали, които трудно падат автоматично от повърхността на изпарителя поради силната им адхезия. Ако отложената сол не се отстрани навреме, ефективността на изпаряване неизбежно ще бъде намалена. В допълнение, много високоефективни слънчеви изпарители изискват опасни или отнемащи време процеси на подготовка, като топлинна обработка с високо налягане, нисък вакуум или висока температура.
Следователно разработването на издръжлив слънчев изпарител за постигане на дългосрочно, ефективно и стабилно изпаряване на вода и събиране на сол чрез прост подготвителен процес за обезсоляване с нулево изпускане на течност е непостигната научна цел.
Въз основа на горните предизвикателства, изследователският екип на Първия медицински университет в Шандонг подготви триизмерен градиентен графенов спирален аерогел изпарител, който може да постигне ефективно слънчево изпаряване на солена вода с висока концентрация и да постигне нулево изпускане на течност.
За да отговори на строгите изисквания на слънчевите изпарители по отношение на ефективно усвояване на слънчевата енергия, пълно оползотворяване на енергия, отлична устойчивост на сол и дългосрочна стабилност, дизайнът на проекта се фокусира основно върху следните четири ключови точки:
Фокусирайте се върху структурния дизайн и подобряването на химическата стабилност
Изпарителят трябва да има здрава мрежова структура и химическа стабилност, което е от решаващо значение за постигане на дългосрочно, ефективно и стабилно слънчево обезсоляване. Поради това те избраха евтина, суперхидрофилна, високопорьозна и високоеластична меламинова пяна като носеща основа на слънчевия изпарител.
След това те изследват механичните свойства на графеновите аерогелове с меламинова пяна като скелет в множество режими, включително компресия, огъване и напрежение, за да оценят цялостно техните механични свойства.
За да провери допълнително неговата здравина и издръжливост при реални условия на приложение, изследователският екип проведе тестове при различни екстремни условия.
По-конкретно, те многократно огъвали пробата 20 пъти във въздух и вода, накисвали я в киселинни и алкални разтвори и я поставяли в тежки условия, като например висока температура и ултразвуково разбъркване.
След тези строги тестове те не откриха значителни промени във външния вид и микроструктурата на образеца, което напълно демонстрира неговата отлична издръжливост и структурна стабилност.
Фокусирайте се върху опростяването и икономическото подобряване на производствените процеси
За постигане на простота и икономичност в процеса на производство на изпарител и избягване на използването на скъпо оборудване, те проектират следните подготвителни стъпки:
Първата стъпка е горещо пресоване
Използвайки технология за горещо пресоване, изследователският екип компресира меламинова пяна с различни дебелини, за да получи предварително пресован меламинов филм с дебелина 1 mm.
По време на този процес, с увеличаването на съотношението на първоначалната дебелина на пробата към крайната компресирана дебелина, размерът на порите на предварително пресования меламинов филм се регулира фино от 150 μm до 20 μm , образувайки уникална триизмерна градиентна мрежова структура.
Втората стъпка е повърхностно пръскане
Използвайте спрей бутилка, за да напръскате равномерно суспензията от графенов оксид върху повърхността на предварително пресованото меламиново фолио . Постигнато е равномерно разпределение на графеновия оксид във фолиото, което е поставило основата за последващо слънчева редукция.
Третата стъпка е сушене при атмосферно налягане
След напръскване те поставят филма директно във въздуха за естествено изсушаване на въздуха. Тази стъпка избягва сложните, отнемащи време и енергия подготвителни процеси като сушене чрез замразяване, суперкритично сушене и подмяна на разтворител.
Четвъртата стъпка е намаляване на слънчевата светлина
Тоест използване на лупа за фокусиране на слънчевата светлина върху пробата. Под действието на ултравиолетовите лъчи цветът на повърхността на пробата бързо се променя от кафяв на черен, което показва, че графеновият оксид е успешно редуциран до редуциран графенов оксид.
Този метод на слънчева редукция е не само лесен за работа и екологичен, но също така не изисква използването на химически редуциращи агенти или процеси на термична редукция при висока температура, което значително намалява производствените разходи и замърсяването на околната среда.
Съсредоточете се върху ефективното усвояване на слънчевата енергия и минимизирането на енергийните загуби
Слънчевите изпарители трябва не само да абсорбират и преобразуват широк диапазон от слънчева енергия в топлинна енергия, но и да минимизират загубите на енергия, причинени от дифузно отражение и топлинно излъчване, и да улавят допълнителна енергия от околната среда. Процесът на изпарение на слънчевия интерфейс се контролира от три енергийни потока: входяща слънчева енергия, изходна енергия от изпаряване и енергия, разсейвана в околната среда.
За съжаление, конвенционалните двуизмерни слънчеви изпарители са изправени пред проблеми с разсейването на енергия поради топлообмен с околната среда, което затруднява постигането на идеалната 100% ефективност на преобразуване на слънчева енергия в пара. За разлика от това, триизмерните слънчеви изпарители могат да нарушат теоретичната граница на ефективността на преобразуване на слънчева енергия в пара.
За да се намали загубата на енергия, причинена от дифузно отражение и топлинно излъчване върху горната повърхност на триизмерната проба, екипът проектира триизмерен спирален вдлъбнат графенов аерогел.
Тази структура не само има по-висока абсорбция и по-ниска отразяваща способност, но страничните й стени също така могат да абсорбират околната топлина и топлината, дифузно отразена от дъното, като по този начин позволяват ефективно възстановяване на енергията.
Съсредоточете се върху оптимизирането на толерантността към солта и управлението на кристализацията на солта
Това е; чрез проектиране на уникален транспортен канал се насърчава радиалният транспорт на саламура, което води до насочена кристализация на солта. Този дизайн не само ефективно предотвратява отлагането и запушването на сол върху повърхността на изпарителя, но също така реализира ефективното събиране и използване на сол, като по този начин значително подобрява ефективността и устойчивостта на процеса на обезсоляване.
По-конкретно, те са проектирали и подготвили триизмерна градиентна графенова мрежова структура, базирана на предварително пресован меламинов порест филм . Тази градиентна графенова мрежа, която е рядка отвътре и гъста отвън, може да образува радиална капилярна силова разлика, която насърчава радиалния транспорт на саламура. С продължаващото генериране на пара, радиалният поток от саламура увеличава концентрацията на саламура във външната повърхност, което кара солта да кристализира насочено върху външната повърхност, а не върху вътрешната. Тази конструкция гарантира, че вътрешната повърхност на изпарителя поддържа достатъчна площ за изпарение, като по този начин се постига ефективно и стабилно слънчево изпарение.
Струва си да се спомене, че изпарителят използва цялата си външна повърхност за кристализация на солта, което прави зоната на кристализация много по-голяма от другите изпарители за насочена кристализация.
Кристалите на солта се състоят главно от хлабаво опаковани кристали на сол с изобилие от пори, които са полезни за транспортирането на саламура и отделянето на пара.
Освен това, поради изпарителния охлаждащ ефект, температурата на повърхността на солния слой е по-ниска от температурата на околната среда. Тази характеристика позволява на изпарителя да абсорбира повече енергия от околната среда, което допълнително подобрява ефективността на изпарението.
Източник на статията: Deep Tech
Изследователската група: Изследователска група на екипа на първия медицински университет в Шандонг
Статията е цитирана от: https://www.163.com/dy/article/J1RENDEH05119734.html
За повече информация относно меламиновата пяна SINOYQX, моля, свържете се с нас на [email protected] или ни пишете на телефон: +86-28-8411-1861.
Някои снимки и текстове са възпроизведени от интернет и авторските права принадлежат на оригиналния автор. Ако има някакво нарушение, моля, свържете се с нас, за да изтрием.