Odparowywanie międzyfazowe (SIE) zasilane energią słoneczną jest uważane za jedną z najbardziej obiecujących technologii łagodzenia niedoborów wody słodkiej ze względu na możliwość efektywnego wykorzystania energii słonecznej do produkcji świeżej wody. Ponadto parowniki słoneczne mają unikalne zalety w oczyszczaniu zagęszczonych ścieków solnych . Proces odparowywania wytwarza jedynie kryształki soli jako produkt uboczny, co pozwala na osiągnięcie zerowego zrzutu cieczy. Jednak gromadzenie się soli w parowniku utrudnia absorpcję światła i wpływa na ucieczkę pary wodnej, co ostatecznie prowadzi do spadku wydajności parownika, a nawet jego awarii.
Aby złagodzić ten problem, niektórzy badacze zaproponowali strategię „obieg soli”. Oznacza to, że ścieżka cyrkulacji jest zaprojektowana tak, aby roztwór mógł przepływać z powrotem do solanki, zapobiegając w ten sposób krystalizacji soli na powierzchni parowania, a tym samym osiągając ciągłe i stabilne parowanie. Jednak ta metoda spowoduje wzrost zasolenia roztworu, a problem krystalizacji soli jest nadal nieunikniony.
Innym rozwiązaniem jest strategia „wysalania”. Oznacza to, że struktura jest regulowana tak, aby sól preferencyjnie krystalizowała w obszarze nieparującym, zmniejszając w ten sposób wpływ krystalizacji soli na wydajność parowania, a tym samym osiągając jednoczesne zbieranie soli i świeżej wody. Jednak strategia „wysalania” nadal napotyka poważne wyzwania w praktycznym zastosowaniu.
Po pierwsze, jednowymiarowy transport solanki ogranicza pojemność absorpcyjną, znacznie zmniejszając ogólną szybkość parowania. Po drugie, strategia krystalizacji soli wymaga regularnego usuwania kryształów soli, które trudno jest automatycznie odpaść z powierzchni parownika ze względu na ich silną przyczepność. Jeśli osadzona sól nie zostanie usunięta na czas, wydajność parowania nieuchronnie ulegnie zmniejszeniu. Ponadto wiele wysokowydajnych parowników słonecznych wymaga niebezpiecznych lub czasochłonnych procesów przygotowawczych, takich jak obróbka cieplna w warunkach wysokiego ciśnienia, niskiej próżni lub wysokiej temperatury.
W związku z tym opracowanie trwałego parownika słonecznego, który umożliwiłby długotrwałe, wydajne i stabilne odparowywanie wody oraz zbieranie soli poprzez prosty proces przygotowania do odsalania bez odprowadzania cieczy, jest nieosiągniętym celem naukowym.
Biorąc pod uwagę powyższe wyzwania, zespół badawczy Pierwszego Uniwersytetu Medycznego w Shandong przygotował trójwymiarowy spiralny parownik aerożelu z gradientem grafenu, który umożliwia wydajne odparowywanie słonej wody o wysokim stężeniu przy wykorzystaniu energii słonecznej i osiągnięcie zerowego wycieku cieczy.
Aby sprostać surowym wymaganiom stawianym parownikom słonecznym w zakresie efektywnej absorpcji energii słonecznej, pełnego wykorzystania energii, doskonałej odporności na sól i długoterminowej stabilności, projekt skupił się głównie na następujących czterech kluczowych punktach:
Skupienie się na projektowaniu strukturalnym i poprawie stabilności chemicznej
Parownik musi mieć solidną strukturę sieciową i stabilność chemiczną, co jest kluczowe dla osiągnięcia długotrwałego, wydajnego i stabilnego odsalania słonecznego. Dlatego jako szkielet parownika słonecznego wybrano niedrogą, superhydrofilową, wysokoporowatą i odporną piankę melaminową .
Następnie przebadano właściwości mechaniczne aerożeli grafenowych z pianką melaminową jako szkieletem w różnych trybach, obejmujących ściskanie, zginanie i rozciąganie, aby kompleksowo ocenić ich właściwości mechaniczne.
Aby dodatkowo sprawdzić wytrzymałość i trwałość urządzenia w rzeczywistych warunkach, zespół badawczy przeprowadził testy w różnych ekstremalnych warunkach.
Dokładniej mówiąc, wielokrotnie zginali próbkę 20 razy w powietrzu i wodzie, moczyli ją w roztworach kwaśnych i zasadowych , a także umieszczali w trudnych warunkach, takich jak wysoka temperatura i mieszanie ultradźwiękowe.
Po przeprowadzeniu rygorystycznych testów nie stwierdzono istotnych zmian w wyglądzie i mikrostrukturze próbki, co w pełni potwierdziło jej doskonałą trwałość i stabilność strukturalną.
Skupienie się na uproszczeniu i ekonomicznej poprawie procesów produkcyjnych
Aby uprościć i oszczędzić proces produkcji parownika oraz uniknąć stosowania drogiego sprzętu, opracowano następujące kroki przygotowawcze:
Pierwszym krokiem jest prasowanie na gorąco
Wykorzystując technologię prasowania na gorąco, zespół badawczy sprasował pianki melaminowe o różnej grubości, uzyskując wstępnie sprasowaną folię melaminową o grubości 1 mm.
Podczas tego procesu, w miarę jak zwiększa się stosunek pierwotnej grubości próbki do ostatecznej grubości po sprasowaniu, wielkość porów wstępnie sprasowanej folii melaminowej jest precyzyjnie regulowana od 150 μm do 20 μm , tworząc unikalną trójwymiarową strukturę sieci gradientowej.
Drugim krokiem jest natrysk powierzchniowy
Za pomocą spryskiwacza równomiernie rozpyl zawiesinę tlenku grafenu na powierzchnię wstępnie sprasowanej folii melaminowej . Uzyskano równomierne rozprowadzenie tlenku grafenu w folii, co stanowiło podstawę do późniejszej redukcji promieniowania słonecznego.
Trzecim krokiem jest suszenie pod ciśnieniem atmosferycznym
Po rozpyleniu umieścili folię bezpośrednio w powietrzu w celu naturalnego suszenia na powietrzu. Ten krok pozwala uniknąć skomplikowanych, czasochłonnych i energochłonnych procesów przygotowawczych, takich jak liofilizacja, suszenie nadkrytyczne i wymiana rozpuszczalnika.
Czwartym krokiem jest redukcja światła słonecznego
Oznacza to użycie szkła powiększającego do skupienia światła słonecznego na próbce. Pod wpływem promieni ultrafioletowych kolor powierzchni próbki szybko zmienia się z brązowego na czarny, co wskazuje, że tlenek grafenu został pomyślnie zredukowany do zredukowanego tlenku grafenu.
Ta metoda redukcji słonecznej jest nie tylko prosta w obsłudze i przyjazna dla środowiska, ale również nie wymaga stosowania chemicznych środków redukujących lub procesów redukcji termicznej w wysokiej temperaturze, co znacznie obniża koszty produkcji i zanieczyszczenie środowiska.
Skup się na efektywnym pochłanianiu energii słonecznej i minimalizacji strat energii
Parowniki słoneczne muszą nie tylko absorbować i przekształcać szeroki zakres energii słonecznej w energię cieplną, ale także minimalizować straty energii spowodowane przez rozproszone odbicie i promieniowanie cieplne oraz wychwytywać dodatkową energię ze środowiska. Proces parowania na granicy międzyfazowej jest kontrolowany przez trzy strumienie energii: energię słoneczną wejściową, energię wyjściową parowania i energię rozpraszaną do środowiska.
Niestety, konwencjonalne dwuwymiarowe parowniki słoneczne napotykają problemy z rozpraszaniem energii z powodu wymiany ciepła z otaczającym środowiskiem, co utrudnia osiągnięcie idealnej 100% sprawności konwersji energii słonecznej na parę. Natomiast trójwymiarowe parowniki słoneczne mogą przekroczyć teoretyczną granicę sprawności konwersji energii słonecznej na parę.
Aby ograniczyć straty energii spowodowane rozproszonym odbiciem i promieniowaniem cieplnym na górnej powierzchni trójwymiarowej próbki, zespół zaprojektował trójwymiarowy, spiralny, wklęsły aerożel grafenowy.
Taka struktura nie tylko charakteryzuje się większą absorpcją i mniejszym współczynnikiem odbicia, ale jej ściany boczne są również w stanie absorbować ciepło otoczenia i ciepło rozproszone odbite od spodu, umożliwiając w ten sposób efektywny odzysk energii.
Skup się na optymalizacji tolerancji na sól i zarządzaniu krystalizacją soli
Oznacza to, że poprzez zaprojektowanie unikalnego kanału transportowego promowany jest promieniowy transport solanki, co prowadzi do kierunkowej krystalizacji soli. Ta konstrukcja nie tylko skutecznie zapobiega osadzaniu się soli i zatykaniu jej na powierzchni parownika, ale także umożliwia skuteczne zbieranie i wykorzystywanie soli, co znacznie poprawia wydajność i zrównoważony rozwój procesu odsalania.
Dokładniej rzecz ujmując, zaprojektowali i przygotowali trójwymiarową, gradientową strukturę sieciową grafenu opartą na wstępnie sprasowanej porowatej folii melaminowej . Ta gradientowa sieć grafenu, rzadka wewnątrz i gęsta na zewnątrz, może tworzyć radialną różnicę sił kapilarnych, co sprzyja radialnemu transportowi solanki. W miarę wytwarzania pary wodnej, radialny przepływ solanki zwiększa jej stężenie na powierzchni zewnętrznej, powodując kierunkową krystalizację soli na powierzchni zewnętrznej, a nie wewnętrznej. Taka konstrukcja zapewnia, że wewnętrzna powierzchnia parownika utrzymuje wystarczającą powierzchnię parowania, zapewniając tym samym wydajne i stabilne parowanie słoneczne.
Warto wspomnieć, że parownik wykorzystuje całą swoją powierzchnię zewnętrzną do krystalizacji soli, dzięki czemu obszar krystalizacji jest znacznie większy niż w przypadku innych parowników z kierunkową krystalizacją.
Kryształy soli składają się głównie z luźno upakowanych kryształów soli z licznymi porami, które korzystnie wpływają na transport solanki i uwalnianie pary wodnej.
Ponadto, ze względu na efekt chłodzenia parowego, temperatura powierzchni warstwy soli jest niższa niż temperatura otoczenia. Ta cecha umożliwia parownikowi absorbowanie większej ilości energii z otoczenia, co dodatkowo poprawia wydajność parowania.
Źródło artykułu: Deep Tech
Grupa badawcza: Zespół badawczy Uniwersytetu Medycznego Shandong First
Cytowany artykuł pochodzi z: https://www.163.com/dy/article/J1RENDEH05119734.html
Aby uzyskać więcej informacji na temat pianki melaminowej SINOYQX, prosimy o kontakt pod adresem [email protected] lub telefonicznie: +86-28-8411-1861.
Niektóre zdjęcia i teksty są reprodukowane z Internetu, a prawa autorskie należą do oryginalnego autora. Jeśli doszło do naruszenia, prosimy o kontakt w celu usunięcia.