Jako zrównoważony sposób wykorzystania zasobów wodnych, odsalanie słoneczne ma duży potencjał w rozwiązywaniu problemu niewystarczających zasobów świeżej wody i łagodzeniu niedoborów wody. Jednak tradycyjna technologia odsalania wody morskiej często ma problemy, takie jak wysokie zużycie energii, skomplikowany sprzęt i wysoki koszt.
W ostatnich latach nowe technologie powłok odsalających oparte na nanomateriałach stopniowo przyciągnęły uwagę badaczy. Grafen zredukowany tlenkiem grafenu, jako nowy dwuwymiarowy materiał, wykazał znaczny potencjał w odsalaniu słonecznym.
W porównaniu z tradycyjnymi materiałami powłokowymi do odsalania, rGO charakteryzuje się doskonałą przewodnością, dużą powierzchnią właściwą i dobrą stabilnością chemiczną. Oczekuje się, że zwiększy wydajność odsalania i zmniejszy zużycie energii.
Jednak rGO samo w sobie ma problemy z agregacją i osadzaniem, co obniża jego aktywność i stabilność. Dlatego utrwalanie rGO na materiałach piankowych w celu utworzenia powłoki kompozytowej z pianki melaminowej /rGO stało się skutecznym sposobem na poprawę wydajności i stabilności odsalania.
Poprzez modyfikację powierzchni i wzmocnienie właściwości nośnych materiału piankowego, równomiernie utrwaliliśmy rGO na powierzchni pianki, aby zwiększyć jej powierzchnię kontaktu z jonami soli w wodzie. Jednocześnie struktura i grubość powłoki rGO są kontrolowane w celu optymalizacji wydajności odsalania i stabilności.
Aby lepiej zrozumieć mechanizm odsalania, przygotowaliśmy również piankę z zredukowanego tlenku grafenu (rGO). Pianka melaminowa pokryta trójtlenkiem grafenu ma wrodzoną porowatą mikrostrukturę i hydrofilowość, co pozwala jej na dobrą zwilżalność i przyciąganie wody do obszaru parowania, co pozwala na szybkie uzupełnianie wody, jednocześnie unikając wytrącania się soli.
Układ odparowywania międzyfazowego pianki melaminowej pokrytej tlenkiem grafenu może osiągnąć ustaloną wydajność odparowywania na poziomie 89.6% przy 1 kW m−2 paliwa słonecznego. Ten układ odparowywania międzyfazowego ma wysoką wydajność konwersji energii słonecznej na ciepło i dobrą długoterminową stabilność, wykazując potencjał komercyjnego odsalania wody morskiej.
Obecnie globalny kryzys energetyczny i niedobór wody stały się poważnymi zagrożeniami dla zrównoważonego rozwoju społeczeństwa ludzkiego. Aby sprostać rosnącemu zapotrzebowaniu na energię, coraz większą uwagę przywiązuje się do rozwoju różnych wysokowydajnych technologii konwersji energii i oczyszczania wody.
Technologia parowania międzyfazowego zasilana energią słoneczną
Jako obiecujące odnawialne źródło energii, energia słoneczna jest wynikiem jej ultra-dużej pojemności, uniwersalności, czystości i wielofunkcyjnych możliwości konwersji. Wykazała potencjał zastąpienia paliw kopalnych zachowanych przez paliwa kopalne.
Oprócz technologii fotowoltaicznej, która bezpośrednio wytwarza energię elektryczną, technologia konwersji energii słoneczno-cieplnej pozwala również na absorbowanie energii słonecznej i przekształcanie jej w energię cieplną, co jest uważane za prosty i efektywny sposób wykorzystania energii słonecznej.
Energia cieplna przekształcona z energii słonecznej może napędzać ważne procesy przemysłowe, takie jak elektrownie słoneczne, odsalanie słoneczne, sterylizacja, systemy słonecznego podgrzewania wody i inne zastosowania związane z ciepłem. Odsalanie słoneczne oferuje skuteczne rozwiązanie, szczególnie dla obszarów pozbawionych infrastruktury, ponieważ może wydobywać świeżą wodę z wody morskiej bez dodatkowego wkładu energii.
W ostatnich latach technologia parowania międzyfazowego napędzana energią słoneczną lokalizuje proces konwersji ciepła słonecznego na granicy ciecz-para i stała się nową technologią wykorzystania energii słonecznej. W porównaniu z tradycyjnym ogrzewaniem integralnym, systemy parowania międzyfazowego wykazują wyższą wydajność parowania i szybszą reakcję termiczną i są potencjalną alternatywą dla odsalania wody morskiej.
Do tej pory przeprowadzono wiele badań nad poprawą wydajności cieplnej układów parowania międzyfazowego. Typowy układ parowania międzyfazowego napędzany energią słoneczną składa się z trzech ważnych części:
Absorber słoneczny o wysokiej absorpcji słonecznej, który wydajnie zamienia promieniowanie słoneczne na energię cieplną; izolator, który przekazuje przekształcone ciepło do wody w zbiorniku; oraz ścieżka doprowadzająca wodę, która stale pobiera wodę ze zbiornika na powierzchnię absorbera słonecznego.
W poprzednich badaniach wielu naukowców poświęciło się poprawie ogólnej wydajności konwersji energii słonecznej na parę wodną poprzez syntezę materiałów pochłaniających energię szerokopasmową i słoneczną, optymalizację projektu nowych ścieżek zaopatrzenia w wodę i udoskonalenie struktur izolacji termicznej .
Do tej pory systemy parowania międzyfazowego napędzane energią słoneczną były stosowane w wielu procesach przemysłowych, indukowanej destylacji słonecznej, sterylizacji słonecznej, odsalaniu słonecznym i wytwarzaniu energii słonecznej. Aby osiągnąć wysoką wydajność parowania systemu, ważne jest zbadanie szerokopasmowej absorpcji w całym spektrum słonecznym materiałów pochłaniających energię słoneczną.
Materiały pochłaniające energię słoneczną opracowane i zbadane w systemach parowania międzyfazowego napędzanych energią słoneczną obejmują głównie materiały węglowe, cząstki plazmoniczne i materiały pochłaniające selektywnie widmowo. Wśród nich naturalne czarne i węglowe materiały mają silne zdolności konwersji ciepła słonecznego i nadają się do szerokopasmowych i wysokointensywnych absorberów słonecznych.
Ze względu na wysoki współczynnik absorpcji słonecznej, niski koszt i dobrą stabilność, zbadano wiele absorberów słonecznych na bazie węgla, w tym nanorurki węglowe, grafit i zredukowany tlenek grafenu. Po latach rozwoju wydajność konwersji energii słonecznej na parę w świetle dziennym osiągnęła ponad 90%.
Chociaż nastąpiły duże postępy w opracowywaniu materiałów pochłaniających energię słoneczną i projektowaniu struktur parowania międzyfazowego, większość wcześniej zgłaszanych urządzeń do odsalania słonecznego była spowodowana gromadzeniem się soli na górnej powierzchni parownika podczas procesu odsalania. Nagromadzona sól blokuje absorpcję słoneczną i blokuje porowaty parownik, co skutkuje niską wydajnością konwersji energii słonecznej na ciepło i słabą wydajnością parowania.
Do usuwania nagromadzonych soli stosuje się zazwyczaj tradycyjne metody fizyczne, takie jak fale ultradźwiękowe i zanurzanie w wodzie, jednak metody te mogą łatwo uszkodzić strukturę parowania międzyfazowego.
Aby zmniejszyć gromadzenie się soli w układach parowania międzyfazowego, wiele badań skupiło się na opracowaniu parowania hydrofobowego. Jednak parowniki hydrofobowe ograniczają dopływ wody do górnej powierzchni, zmniejszając tym samym wydajność parowania układu. Innym sposobem rozwiązania tego problemu jest zastosowanie parownika hydrofilowego, który przenosi nadmiar soli z górnej powierzchni do wody w zbiorniku.
Do tej pory wiele badań koncentrowało się na projektowaniu hydrofilowych parowników, takich jak hydrofilowe membrany z celulozy, hydrofilowe membrany na bazie papieru i bioinspirowane parowniki. Jednak opracowanie długoterminowego, stabilnego i wysoce wydajnego układu parowania międzyfazowego napędzanego energią słoneczną pozostaje poważnym wyzwaniem.
W niniejszym badaniu zaprezentowaliśmy piankę z tlenku grafenu (rGO) odporną na działanie soli, wysoce wydajną, pochłaniającą energię słoneczną i szybko reagującą na zmiany temperatury, przeznaczoną do odsalania powierzchniowego przy wykorzystaniu energii słonecznej w warunkach słabego oświetlenia fluorescencyjnego.
W nowej strukturze porowatej jako bazę wybrano hydrofilową piankę melaminową (MF) , która nie tylko zwiększa powierzchnię absorpcji światła słonecznego, ale także poprawia rozpraszanie wielokrotne.
Hydrofilowość powierzchni i porowatość pianki melaminowej pokrytej zredukowanym tlenkiem grafenu zapewniają odpowiednie zwilżanie i fuzję strefy konwersji ciepła słonecznego, a także szybkie uzupełnianie wody, zapobiegając jednocześnie gromadzeniu się soli.
Wykorzystując wysoką wydajność pianki melaminowej pokrytej tlenkiem grafenu, zasilany energią słoneczną układ interfejsu jest w stanie osiągnąć współczynnik konwersji energii słonecznej w parę wodną na poziomie 89.6%.
Ponadto, integrując zredukowaną piankę melaminową pokrytą tlenkiem grafenu z komercyjną energią słoneczną, zaprojektowaliśmy i wyprodukowaliśmy napędzane energią słoneczną urządzenie do odsalania wody morskiej na styku z wydajnością konwersji energii słonecznej na wodę wynoszącą 56.4% w świetle dziennym. Dzięki odsalaniu słonecznemu zebrana czysta woda spełnia wymagania jakości pitnej.
Dzięki doskonałej wydajności parowania i skalowalności materiałów przetwarzających energię słoneczną na cieplną, ten system do odsalania wody morskiej na styku faz zasilany energią słoneczną stwarza szerokie perspektywy zastosowania w praktycznych zastosowaniach odsalania wody morskiej.
Skalowalność materiałów do przenoszenia ciepła w procesie odsalania słonecznego
Układ odparowywania międzyfazowego oparty na piance melaminowej pokrytej zredukowanym tlenkiem grafenu. Pianka melaminowa pokryta tlenkiem grafenu znajduje się w środku i jest owinięta warstwą pianki polietylenowej (PE) na zewnątrz, aby zbudować samopęcherzykowy układ odparowywania międzyfazowego.
Pianka melaminowa pokryta tlenkiem grafenu zredukowanym tellurem jest używana do szybkiego pochłaniania padającego promieniowania słonecznego, przekształcania energii słonecznej w ciepło i generowania siły napędowej do parowania międzyfazowego. Z drugiej strony, hydrofilowa pianka melaminowa pokryta tlenkiem grafenu zredukowanego może stale wciągać solankę do strefy parowania.
Porowata struktura pianki melaminowej pokrytej trójtlenkiem grafenu pozwala na ucieczkę wytworzonej pary do środowiska, co sprzyja przechwytywaniu światła słonecznego, a tym samym zwiększa wydajność konwersji energii słonecznej na ciepło. Zredukowana pianka melaminowa pokryta tlenkiem grafenu jest porowata i hydrofilowa, co pozwala jej wciągać wodę do opisanej powyżej struktury parowania, jednocześnie rozkładając skoncentrowane sole z powrotem do masy wody morskiej.
Podczas procesu parowania stężenie soli w pianie jest wyższe niż stężenie wody morskiej na dnie. Zmiany stężenia powodują rozpad soli w wodzie. Ponadto otaczająca pianka polietylenowa nie tylko redukuje piankę melaminową pokrytą tlenkiem grafenu , ale także naturalnie gromadzi się na powierzchni wody, hamując utratę ciepła spowodowaną przez otaczającą ją słoną wodę.
Systemy parowania międzyfazowego mogą działać nieprzerwanie i wydajnie na powierzchniach wody bez konieczności stosowania skomplikowanych projektów konstrukcyjnych. Ponadto, ponieważ parowanie następuje na granicy gaz-ciecz, system parowania międzyfazowego może poruszać się autonomicznie, gdy granica się oddala.
Pianka melaminowa pokryta zredukowanym tlenkiem grafenu tellurem jest kluczowym elementem układu parowania międzyfazowego. Piankę melaminową zanurzono w koloidalnej zawiesinie tlenku grafenu, aby przygotować piankę melaminową pokrytą zredukowanym tlenkiem grafenu, a następnie tlenek grafenu zredukowano do zredukowanego tlenku grafenu metodą hydrotermalną.
Pianka melaminowa pokryta tlenkiem grafenu o średnicy 3.5 cm i grubości 1.6 cm jest łatwa w produkcji i ma głęboki czarny kolor.
Chropowatość powierzchni materiału pianki melaminowej pokrytej zredukowanym tlenkiem grafenu, obserwowana za pomocą trójwymiarowego mikroskopu optycznego, wykazała zmienność wysokości wynoszącą ponad 300 μm. Chropowata struktura powierzchni kompozytów konwersji cieplnej słonecznej jest głównie przypisywana porowatej strukturze pianki melaminowej, a zmodyfikowany zredukowany tlenek grafenu również zwiększa chropowatość powierzchni.
Chropowatość powierzchni zwiększa powierzchnię absorpcji słonecznej, zwiększając jednocześnie wielokrotne rozpraszanie padającego światła słonecznego, co poprawia wydajność konwersji energii słonecznej na ciepło w systemie. Mikrostruktura przygotowanej pianki melaminowej przy różnych powiększeniach. Powierzchnia pianki melaminowej pokrytej tlenkiem grafenu wykazuje pomarszczoną i połączoną strukturę sieciową.
Rozmiar porów pianki melaminowej powlekanej rGO wynosi od 20 do 40 μm. Otwarta struktura porów i pomarszczona powierzchnia ułatwiają osadzanie tlenku grafenu. Pianka melaminowa powlekana zredukowanym tlenkiem grafenu ma dobrą zwilżalność wodą ze względu na hydrofilowość porowatej pianki melaminowej.
Gdy kropla wody dotknie powierzchni pianki melaminowej pokrytej zredukowanym tlenkiem grafenu, zostaje całkowicie wchłonięta w ciągu 0.5 sekundy. Hydrofilowa powierzchnia kompozytów z zredukowanym tlenkiem grafenu może szybko kierować drenażem wewnątrz porowatej struktury. Porowatość pianki melaminowej pokrytej zredukowanym tlenkiem grafenu określono, porównując zmiany masy przed i po absorpcji wody.
Porowatość pianki melaminowej pokrytej tlenkiem grafenu może osiągnąć 85.55%. Absorpcja energii słonecznej przez piankę melaminową pokrytą zredukowanym tlenkiem grafenu bezpośrednio wpływa na wydajność konwersji energii słonecznej na ciepło w systemie. Aby ocenić odporność na sól, piankę melaminową pokrytą zredukowanym tlenkiem grafenu umieszczono w roztworze chlorku sodu (3.5% wag.).
Następnie na górnej powierzchni umieszczono 3 g stałego chlorku sodu, a piankę melaminową pokrytą powłoką Tergo umieszczono przy gęstości słonecznej 1 kW m−2. Stała sól stopniowo rozpuszcza się po 120 minutach.
Gdy światło słoneczne pada na górną powierzchnię pianki melaminowej pokrytej rGO , jej temperatura gwałtownie wzrasta w ciągu kilku minut i utrzymuje się na poziomie 35°C przez cały proces parowania. Ponieważ rozpuszczalność soli zależy od temperatury, im wyższa temperatura, tym szybciej sól się rozpuszcza, a zatem żelazo może zostać ponownie rozpuszczone w wodzie powierzchniowej.
W piance melaminowej pokrytej zredukowanym tlenkiem grafenu, która ma liczne pory o wysokiej zdolności absorpcji wody, które mogą zapewnić ciągły dopływ wody do górnej powierzchni, sole mogą przemieszczać się z górnej powierzchni do podwarstwy wody. Zmiany temperatury prowadzą do zmian zasolenia między górną powierzchnią parowania a korpusem.
Aby uzyskać szerokopasmową i efektywną absorpcję energii słonecznej, piankę melaminową zmodyfikowano porowatą hydrofilową pianką melaminową, zwiększając w ten sposób powierzchnię absorpcji energii słonecznej i zwiększając rozpraszanie wielokrotne.
Układ odparowywania międzyfazowego energii słonecznej na bazie pianki melaminowej pokrytej rGO charakteryzuje się szybką reakcją termiczną przy gęstości mocy słonecznej wynoszącej 1 kW m−2, osiągając ustaloną sprawność konwersji ciepła słonecznego na poziomie 89.6%.
Na koniec zintegrowaliśmy parownik z pianki melaminowej pokrytej zredukowanym tlenkiem grafenu z destylatorem słonecznym, który może wyprodukować 56.4% wody pitnej z akumulacją soli przy 1 kW m−2.
Przewidujemy, że to zasilane energią słoneczną urządzenie do odsalania międzyfazowego będzie mogło być stosowane na odizolowanych wyspach lub w oceanie, aby zbierać wodę pitną z obfitych zasobów wody morskiej lub innych zasobów wody słonej.
Wniosek
Odsalanie rGO-coated melamine foam, jako innowacyjna i wydajna technologia odsalania słonecznego, ma duży potencjał i perspektywy zastosowań. Może nie tylko zapewnić niezawodne zasoby świeżej wody dla obszarów z niedoborem wody, ale także zmniejszyć zależność od tradycyjnej energii, zmniejszyć zużycie energii i zanieczyszczenie środowiska.
Wyniki tych badań wniosą istotny wkład w rozwiązanie problemu niedoboru zasobów słodkiej wody na świecie i będą promować realizację zrównoważonego rozwoju.
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.