Като устойчив начин за използване на водните ресурси, слънчевата обезсоляване има голям потенциал за решаване на проблема с недостатъчните ресурси от прясна вода и облекчаване на недостига на вода. Традиционната технология за обезсоляване на морска вода обаче често има проблеми като висока консумация на енергия, сложно оборудване и висока цена.
През последните години новите технологии за обезсоляване, базирани на наноматериали, постепенно привличат вниманието на изследователите. Графенът, редуциран с графенов оксид, като нов двуизмерен материал, показва значителен потенциал в слънчевото обезсоляване.
В сравнение с традиционните материали за обезсоляване, rGO има предимствата на отлична проводимост, висока специфична повърхност и добра химическа стабилност и се очаква да подобри ефективността на обезсоляването и да намали консумацията на енергия.
Въпреки това, самият rGO има проблеми с агрегирането и отлагането, което намалява неговата активност и стабилност. Следователно, фиксирането на rGO върху пянови материали за образуване на композитно покритие от меламинова пяна /rGO се е превърнало в ефективен начин за подобряване на ефективността и стабилността на обезсоляването.
Чрез модификация на повърхността и укрепване на носещите свойства на пяната, ние равномерно фиксирахме rGO върху повърхността на пяната, за да увеличим контактната ѝ площ със солевите йони във водата. В същото време, структурата и дебелината на rGO покритието се контролират, за да се оптимизира ефективността и стабилността на обезсоляването.
За да получим по-задълбочено разбиране на механизма на обезсоляване, ние също така приготвихме пяна от редуциран графенов оксид (rGO). Меламинова пяна, покрита с графенов триоксид, има присъща пореста микроструктура и хидрофилност, което ѝ позволява добра омокряемост и може да привлича вода към зоната на изпаряване, позволявайки бързото ѝ попълване, като същевременно се избягва утаяването на соли.
Системата за междуфазово изпаряване на меламинова пяна, покрита с графенов оксид, може да постигне ефективност на изпаряване в стационарно състояние от 89.6% при 1 kW m−2 слънчево гориво. Тази система за междуфазово изпаряване има висока ефективност на преобразуване на слънчевата енергия в топлина и добра дългосрочна стабилност, което показва потенциал за търговско обезсоляване на морска вода.
В момента глобалната енергийна криза и недостигът на вода се превърнаха в основна заплаха за устойчивото развитие на човешкото общество. За да се отговори на нарастващото търсене на енергия, разработването на различни високоефективни технологии за преобразуване на енергия и пречистване на вода получава все по-голямо внимание.
Технология за междуфазово изпаряване, захранвана от слънчева енергия
Като обещаващ възобновяем енергиен източник, слънчевата енергия се дължи на свръхголемия си капацитет, универсалност, чистота и многофункционални възможности за преобразуване. Тя е показала потенциал да замени изкопаемите горива, задържани от изкопаеми горива.
В допълнение към слънчевата фотоволтаична технология, която директно генерира електрическа енергия, технологията за преобразуване на слънчева и топлинна енергия също така абсорбира слънчевата енергия и я преобразува в топлинна енергия, което се счита за прост и ефективен начин за използване на слънчевата енергия.
Термалната енергия, преобразувана от слънчева енергия, може да задвижва важни промишлени процеси, като например слънчеви термоелектрически централи, слънчево обезсоляване, стерилизация, слънчеви системи за затопляне на вода и други приложения, свързани с топлината. Слънчевото обезсоляване предлага ефективно решение, особено за райони без инфраструктура, тъй като може да извлича прясна вода от морска вода без допълнително енергийно натоварване.
През последните години, технологията за междуфазово изпарение, задвижвана от слънчева енергия, локализира процеса на преобразуване на слънчевата топлина на границата течност-пара и се превърна в нова технология за използване на слънчева енергия. В сравнение с традиционното интегрално нагряване, системите за междуфазово изпарение показват по-висока ефективност на изпаряване и по-бърз термичен отговор и са потенциална алтернатива за обезсоляване на морска вода.
Досега са проведени много изследвания за подобряване на топлинните характеристики на системите за междуфазово изпарение. Типичната система за междуфазово изпарение, задвижвана от слънчева енергия, се състои от три важни части:
Слънчев абсорбатор с висока степен на поглъщане на слънчева енергия, който ефективно преобразува слънчевата радиация в топлинна енергия; изолатор, който предава преобразуваната топлина към обема на водата; и път за подаване на вода, който непрекъснато изтегля вода от обема на водата към повърхността на слънчевия абсорбатор.
В предишни проучвания голям брой изследователи са се посветили на подобряване на общата ефективност на преобразуването на слънчевата енергия в пара чрез синтезиране на широколентови и слънчева енергия абсорбиращи материали, оптимизиране на дизайна на нови пътища за водоснабдяване и подобряване на топлоизолационните конструкции.
Досега, системи за междуфазово изпарение, задвижвани от слънчева енергия, са били използвани в много промишлени процеси, индуцирана слънчева дестилация, слънчева стерилизация, слънчева дестилация и производство на слънчева енергия. За да се постигне висока ефективност на изпаряване на системата, е важно да се изследва широколентовото поглъщане в целия слънчев спектър на слънчевата абсорбираща материалите.
Материалите, абсорбиращи слънчевата енергия, разработени и изследвани в слънчево задвижвани межфазови изпарителни системи, включват главно въглеродни материали, плазмонни частици и спектрално селективни абсорбиращи материали. Сред тях естествените черни и въглеродни материали имат силни възможности за преобразуване на слънчевата топлина и са подходящи за широколентови и високоинтензивни слънчеви абсорбатори.
Поради високата степен на поглъщане на слънчева светлина, ниската цена и добрата стабилност, са изследвани много слънчеви абсорбери на въглеродна основа, включително въглеродни нанотръби, графит и редуциран графенов оксид. След години на разработка, ефективността на преобразуване на слънчевата енергия в пара на системата под дневна светлина е достигнала над 90%.
Въпреки че са постигнати големи подобрения в разработването на материали, абсорбиращи слънчева енергия, и проектирането на структури за междуфазово изпарение, повечето от описаните по-рано устройства за слънчево обезсоляване са се дължали на натрупването на сол върху горната повърхност на изпарителя по време на процеса на обезсоляване. Натрупаната сол блокира абсорбцията на слънчева енергия и блокира порестия изпарител, което води до ниска ефективност на преобразуване на слънчевата енергия в топлина и лоши показатели на изпарение.
Традиционните физични методи като ултразвукови вълни и потапяне във вода обикновено се използват за отстраняване на натрупаните соли, но тези методи могат лесно да причинят увреждане на структурата на изпарението на интерфейса.
За да се намали натрупването на сол в междуфазовите изпарителни системи, много изследвания са фокусирани върху разработването на хидрофобно изпарение. Хидрофобните изпарители обаче ограничават подаването на вода до горната повърхност, като по този начин намаляват изпарителната ефективност на системата. Друг начин за решаване на този проблем е използването на хидрофилен изпарител, който премества излишната сол от горната повърхност към водата.
Към днешна дата много изследвания са фокусирани върху проектирането на хидрофилни изпарители, като например хидрофилни целулозни тъканни мембрани, хидрофилни мембрани на хартиена основа и биологично вдъхновени изпарители. Но разработването на дългосрочно стабилна и високоефективна система за междуфазово изпаряване, задвижвана от слънчева енергия, остава значително предизвикателство.
В това проучване ние демонстрираме устойчива на сол, високоефективна, абсорбираща слънчевата енергия и бързо реагираща на топлина редуцирана графенова оксидна (rGO) пяна за слънчево задвижвано междуфазово обезсоляване при нискофлуоресцентно слънчево осветление.
В новата пореста структура за основа е избрана хидрофилна меламинова пяна (MF) , която не само разширява повърхността за абсорбция на слънчева светлина, но и подобрява многократното разсейване.
Повърхностната хидрофилност и порьозност на меламиновата пяна, покрита с редуциран графенов оксид, осигуряват достатъчно омокряне и сливане на зоната за преобразуване на слънчевата топлина, както и бързо попълване на водата, като същевременно се избягва натрупването на соли.
Възползвайки се от високата производителност на меламинова пяна, покрита с редуциран графенов оксид, захранваната от слънчева енергия интерфейсна система е способна на степен на преобразуване на слънчева енергия в пара от 89.6%.
Освен това, чрез интегриране на меламинова пяна, покрита с редуциран графенов оксид, в търговската слънчева енергия, ние проектирахме и изработихме устройство за обезсоляване на морска вода на междинен етап, задвижвано от слънчева енергия, с ефективност на преобразуване на слънчева енергия във вода от 56.4% при дневна светлина. Благодарение на слънчевото обезсоляване, събраната чиста вода е с качество, подходящо за пиене.
С превъзходна производителност на изпарение и мащабируемост на материалите за преобразуване от слънчева към термална енергия, тази система за обезсоляване на морска вода, задвижвано от слънчева енергия, предлага широки перспективи за приложение в практическите приложения на обезсоляването на морска вода.
Мащабируемост на материалите за пренос на топлина за слънчево обезсоляване
Система за междуфазово изпаряване, базирана на меламинова пяна, покрита с редуциран графенов оксид. Меламинова пяна, покрита с ter-графенов оксид, е в средата и е обвита от слой полиетиленова (PE) пяна отвън, за да се изгради самобалонна междуфазова изпарителна система.
Меламиновата пяна, покрита с графенов оксид, редуциран с телур, се използва за бързо абсорбиране на падащата слънчева радиация, преобразуване на слънчевата енергия в топлина и генериране на движеща сила за междуфазово изпарение. От друга страна, хидрофилната меламинова пяна, покрита с редуциран графенов оксид, може непрекъснато да изтегля саламура в зоната на изпарение.
Порестата структура на меламиновата пяна, покрита с графенов триоксид, позволява на генерираните пари да излизат в околната среда, като по този начин насърчават улавянето на слънчевата светлина и по този начин увеличават ефективността на преобразуването на слънчевата енергия в топлина. Меламинова пяна, покрита с редуциран графенов оксид, е пореста и хидрофилна, което ѝ позволява да привлича вода в описаната по-горе структура за изпаряване, като едновременно с това разгражда концентрираните соли обратно в морската вода.
По време на процеса на изпаряване, концентрацията на сол в пяната е по-висока от концентрацията на морска вода на дъното. Промените в концентрацията водят до разграждане на солта в по-голямата част от водата. Освен това, околната полиетиленова пяна не само намалява покритата с графенов оксид меламинова пяна , но и естествено се събира на повърхността на водата, предотвратявайки загубата на топлина, причинена от околната солена вода.
Системите за интерфейсно изпарение могат да работят непрекъснато и ефективно върху водни повърхности, без да е необходимо сложни конструктивни решения. Освен това, тъй като изпарението се случва на границата газ-течност, системата за интерфейсно изпарение може да се движи автономно, когато границата се отдалечава.
Меламинова пяна, покрита с редуциран телур и графенов оксид, е ключов компонент на системата за междуфазово изпаряване. Меламиновата пяна е потопена в колоидна суспензия от графенов оксид, за да се получи редуцирана меламинова пяна, покрита с графенов оксид, след което графеновият оксид е редуциран до редуциран графамин оксид, използвайки хидротермален метод.
Меламинова пяна, покрита с редуциран графенов оксид, с диаметър 3.5 см и дебелина 1.6 см е лесна за производство, а цветът ѝ е наситено черен.
Грапавостта на повърхността на меламиновия пенест материал, покрит с редуциран графенов оксид, наблюдавана с помощта на триизмерен оптичен микроскоп, показва вариация във височината от над 300 μm. Грубата повърхностна структура на композитите за слънчево термично преобразуване се дължи главно на порестата структура на меламиновата пяна, а модифицираният редуциран графенов оксид също увеличава грапавостта на повърхността.
Грапавостта на повърхността увеличава площта на повърхността за поглъщане на слънчевата светлина, като същевременно увеличава многократното разсейване на падащата слънчева светлина, като по този начин подобрява ефективността на преобразуване на слънчевата светлина в топлина на системата. Микроструктура на приготвената меламинова пяна при различни увеличения. Повърхността на меламиновата пяна, покрита с графенов оксид, показва набръчкана и взаимосвързана мрежова структура.
Размерът на порите на меламиновата пяна, покрита с rGO, е между 20 и 40 μm. Структурата на отворените пори и набръчканата повърхност улесняват отлагането на графенов оксид. Меламинова пяна, покрита с редуциран графенов оксид, има добра омокряемост с вода поради хидрофилността на порестата меламинова пяна.
След като капка вода докосне повърхността на меламиновата пяна, покрита с редуциран графенов оксид, тя се абсорбира напълно в рамките на 0.5 секунди. Хидрофилната повърхност на композитите от редуциран графенов оксид може бързо да насочи дренажа в порестата структура. Порьозността на меламиновата пяна, покрита с редуциран графенов оксид, беше определена чрез сравняване на промените в масата преди и след абсорбцията на вода.
Порьозността на меламиновата пяна, покрита с графенов оксид, може да достигне 85.55%. Абсорбцията на слънчева енергия от меламинова пяна, покрита с редуциран графенов оксид, пряко влияе върху ефективността на преобразуване на слънчевата енергия в топлина на системата. За да се оцени устойчивостта на сол, меламиновата пяна, покрита с редуциран графенов оксид, беше поставена в разтвор на натриев хлорид (3.5 тегл.%).
След това 3 g твърд натриев хлорид бяха поставени върху горната повърхност и покритата с Tergo меламинова пяна беше поставена при слънчева плътност от 1 kW m−2. Количеството твърда сол постепенно се разтваря след 120 минути.
Когато слънчева светлина огрява горната повърхност на меламиновата пяна, покрита с rGO , температурата ѝ се повишава бързо в рамките на минути и остава на 35°C по време на целия процес на изпаряване. Тъй като разтворимостта на солта зависи от температурата, колкото по-висока е температурата, толкова по-бързо се разтваря солта и следователно желязната сол може да се разтвори отново в повърхностните води.
В меламиновата пяна, покрита с редуциран графенов оксид, която има множество пори с висок капацитет за абсорбиране на вода, осигуряващ непрекъснато водоснабдяване на горната повърхност, солите могат да се движат от горната повърхност към подслоя вода. Температурните промени водят до промени в солеността между горната повърхност на изпарение и тялото.
За да се получи широколентова и ефикасна абсорбция на слънчева енергия, меламиновата пяна е модифицирана с пореста хидрофилна меламинова пяна, като по този начин се увеличава повърхността на абсорбция на слънчевата енергия и се увеличава многократното разсейване.
Системата за слънчева междуфазова изпарителна система, базирана на меламинова пяна с покритие от rGO, показва бърза термична реакция при плътност на слънчевата мощност от 1 kW m−2, постигайки стационарна ефективност на слънчевата топлинна конверсия от 89.6%.
Накрая, интегрирахме изпарител от меламинова пяна с редуцирано покритие от графенов оксид в соларен дестилатор, който може да произвежда 56.4% питейна вода с натрупване на сол при 1 kW m−2.
Предвиждаме, че това устройство за обезсоляване на повърхността, захранвано от слънчева енергия, може да се използва на изолирани острови или в океана за събиране на питейна вода от изобилни морски или други соленоводни ресурси.
Заключение
Обезсоляване Меламинова пяна, покрита с rGO, като иновативна и ефикасна технология за слънчево обезсоляване, има голям потенциал и перспективи за приложение. Тя може не само да осигури надеждни ресурси от прясна вода за райони с ограничен воден ресурс, но и да намали зависимостта от традиционната енергия, потреблението на енергия и замърсяването на околната среда.
Резултатите от това изследване ще дадат важен принос за решаването на проблема с недостига на сладководни ресурси в световен мащаб и ще насърчат осъществяването на устойчиво развитие.
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.