Kao održivi način iskorištavanja vodnih resursa, solarna desalinizacija ima veliki potencijal u rješavanju problema nedovoljnih resursa svježe vode i ublažavanju nestašica vode. Međutim, tradicionalna tehnologija desalinizacije morske vode često ima problema poput velike potrošnje energije, složene opreme i visokih troškova.
Posljednjih godina nove tehnologije premaza za desalinizaciju temeljene na nanomaterijalima postupno su privukle pozornost istraživača. Grafen reducirani grafen oksidom, kao novi dvodimenzionalni materijal, pokazao je značajan potencijal u solarnoj desalinizaciji.
U usporedbi s tradicionalnim materijalima za premaze za desalinizaciju, rGO ima prednosti izvrsne vodljivosti, visoke specifične površine i dobre kemijske stabilnosti, a očekuje se da će poboljšati učinkovitost desalinizacije i smanjiti potrošnju energije.
Međutim, sam rGO ima problema s agregacijom i taloženjem, što smanjuje njegovu aktivnost i stabilnost. Stoga je fiksiranje rGO-a na pjenaste materijale kako bi se formirao kompozitni premaz od melaminske pjene /rGO-a postalo učinkovit način za poboljšanje učinkovitosti i stabilnosti desalinizacije.
Modifikacijom površine i jačanjem nosivih svojstava pjenastog materijala, ravnomjerno smo fiksirali rGO na površinu pjene kako bismo povećali njezino kontaktno područje s ionima soli u vodi. U isto vrijeme, struktura i debljina rGO premaza se kontroliraju kako bi se optimizirala učinkovitost i stabilnost desalinizacije.
Kako bismo stekli dublje razumijevanje mehanizma desalinizacije, također smo pripremili pjenu od reduciranog grafen oksida (rGO). Melaminska pjena obložena grafen trioksidom ima svojstvenu poroznu mikrostrukturu i hidrofilnost, što joj omogućuje dobru sposobnost vlaženja i može privući vodu u područje isparavanja, omogućujući brzo obnavljanje vode uz izbjegavanje taloženja soli.
Međufazni sustav isparavanja od melaminske pjene obložene grafen oksidom može postići postojanu učinkovitost isparavanja od 89.6% pod solarnim gorivom od 1kW m−2. Ovaj međufazni sustav isparavanja ima visoku učinkovitost pretvorbe solarne energije u toplinu i dobru dugoročnu stabilnost, pokazujući potencijal za komercijalnu desalinizaciju morske vode.
Trenutno su globalna energetska kriza i nestašica vode postale glavne prijetnje održivom razvoju ljudskog društva. Kako bi se zadovoljila rastuća potražnja za energijom, razvoju raznih visokoučinkovitih tehnologija za pretvorbu energije i pročišćavanje vode posvećuje se sve veća pozornost.
Tehnologija površinskog isparavanja na solarni pogon
Kao obećavajući obnovljivi izvor energije, solarna energija je zahvaljujući svom ultra velikom kapacitetu, univerzalnosti, čistoći i višenamjenskim mogućnostima pretvorbe. Pokazao je potencijal za zamjenu fosilnih goriva zadržanih fosilnim gorivima.
Osim što solarna fotonaponska tehnologija izravno proizvodi električnu energiju, tehnologija pretvorbe solarno-toplinske energije također apsorbira sunčevu energiju i pretvara je u toplinsku energiju, što se smatra jednostavnim i učinkovitim načinom iskorištavanja sunčeve energije.
Toplinska energija pretvorena iz solarne energije može pokretati važne industrijske procese kao što su solarne termoelektrane, solarna desalinizacija, sterilizacija, solarni sustavi grijanja vode i druge primjene povezane s toplinom. Solarna desalinizacija nudi učinkovito rješenje, posebno za područja bez infrastrukture, jer može izvući slatku vodu iz morske vode bez dodatnog unosa energije.
Posljednjih godina, tehnologija međupovršinskog isparavanja pokretana solarnom energijom smješta proces pretvorbe sunčeve topline na sučelje tekućine i pare i postala je nova tehnologija iskorištavanja solarne energije. U usporedbi s tradicionalnim integralnim grijanjem, međupovršinski sustavi za isparavanje pokazuju veću učinkovitost isparavanja i brži toplinski odgovor te su potencijalna alternativa za desalinizaciju morske vode.
Do sada su provedena mnoga istraživanja o poboljšanju toplinske učinkovitosti međupovršinskih sustava isparavanja. Tipični međufazni sustav isparavanja na solarni pogon sastoji se od tri važna dijela:
Solarni apsorber s visokom sunčevom apsorpcijom i učinkovito pretvara sunčevo zračenje u toplinsku energiju; izolator koji prenosi pretvorenu toplinu na vodenu masu; i put dovoda vode koji kontinuirano izvlači vodu iz mase vode na površinu solarnog apsorbera.
U prethodnim studijama, veliki broj istraživača posvetio se poboljšanju ukupne učinkovitosti pretvorbe solarne energije u paru sintezom širokopojasnih materijala i materijala koji apsorbiraju solarnu energiju, optimizacijom dizajna novih vodoopskrbnih putova i poboljšanjem toplinske izolacije.
Do sada su se međufazni sustavi za isparavanje pokretani solarnom energijom koristili u mnogim industrijskim procesima, induciranoj solarnoj destilaciji, solarnoj sterilizaciji, solarnoj desalinizaciji i proizvodnji solarne energije. Kako bi se postigla visoka učinkovitost isparavanja sustava, važno je istražiti širokopojasnu apsorpciju u solarnom spektru materijala koji apsorbiraju sunce.
Materijali koji apsorbiraju sunčevu energiju razvijeni su i istraženi u međupovršinskim sustavima za isparavanje na solarni pogon uglavnom uključuju materijale koji sadrže ugljik, plazmonske čestice i spektralno selektivne apsorbirajuće materijale. Među njima, prirodni crni i karbonski materijali imaju jake mogućnosti pretvorbe sunčeve topline i prikladni su za širokopojasne i visokointenzivne solarne apsorbere.
Zbog njihove visoke stope solarne apsorpcije, niske cijene i dobre stabilnosti, proučavani su mnogi solarni apsorberi na bazi ugljika, uključujući ugljikove nanocijevi, grafit i reducirani grafen oksid. Nakon godina razvoja, učinkovitost konverzije solarnog sustava u paru pod dnevnim svjetlom dosegla je više od 90%.
Iako je došlo do velikih poboljšanja u razvoju materijala koji apsorbiraju sunčevu energiju i projektiranju međupovršinskih struktura za isparavanje, većina prethodno prijavljenih uređaja za solarnu desalinizaciju nastala je zbog nakupljanja soli na gornjoj površini isparivača tijekom procesa desalinizacije. Nakupljena sol blokira solarnu apsorpciju i blokira porozni isparivač, što rezultira niskom učinkovitošću pretvorbe solarne energije u toplinu i lošim performansama isparavanja.
Tradicionalne fizičke metode kao što su ultrazvučni valovi i uranjanje u vodu općenito se koriste za uklanjanje nakupljenih soli, ali te metode mogu lako uzrokovati oštećenje strukture isparavanja sučelja.
Kako bi se smanjilo nakupljanje soli u međupovršinskim sustavima isparavanja, mnoga su istraživanja usmjerena na razvoj hidrofobnog isparavanja. Međutim, hidrofobni isparivači ograničavaju dovod vode na gornju površinu, čime se smanjuje učinak isparavanja sustava. Drugi način rješavanja ovog problema je korištenje hidrofilnog isparivača, koji premješta višak soli s gornje površine na vodu.
Do danas su se mnoge studije usredotočile na projektiranje hidrofilnih isparivača, kao što su membrane od hidrofilne celulozne tkanine, hidrofilne membrane na bazi papira i bioinspirirani isparivači. Ali razvoj dugoročno stabilnog i visoko učinkovitog međupovršinskog sustava isparavanja pokretanog solarnom energijom ostaje značajan izazov.
U ovoj studiji demonstriramo pjenu od reduciranog grafen oksida (rGO) otpornu na sol, visoko učinkovitu koja apsorbira sunce i koja brzo reagira na toplinu za međufaznu desalinizaciju pod utjecajem sunca pod solarnim osvjetljenjem niske fluorescencije.
U novoj poroznoj strukturi, kao baza je odabrana hidrofilna melaminska pjena (MF) , koja ne samo da proširuje površinu za apsorpciju sunčeve svjetlosti, već i poboljšava višestruko raspršenje.
Površinska hidrofilnost i poroznost smanjene melaminske pjene obložene grafen oksidom osigurava dovoljno vlaženje i fuziju zone pretvorbe sunčeve topline, kao i brzo obnavljanje vode, dok se izbjegava nakupljanje soli.
Koristeći prednosti visokih performansi melaminske pjene obložene reduciranim grafen oksidom, međupovršinski sustav na solarni pogon sposoban je za stopu konverzije solarne energije u paru od 89.6%.
Nadalje, integracijom melaminske pjene obložene reduciranim grafen oksidom u komercijalnu solarnu energiju, dizajnirali smo i proizveli solarni međupovršinski uređaj za desalinizaciju morske vode s učinkovitošću konverzije solarne energije u vodu od 56.4% pod dnevnim svjetlom. Zbog solarne desalinizacije, prikupljena čista voda zadovoljava zahtjeve kvalitete za piće.
S vrhunskim učinkom isparavanja i skalabilnošću materijala za pretvorbu iz solarne u toplinsku, ovaj sustav za međufaznu desalinizaciju morske vode pokretan solarnom energijom pruža široke mogućnosti primjene u praktičnim primjenama desalinizacije morske vode.
Skalabilnost materijala za prijenos topline solarne desalinizacije
Međufazni sustav isparavanja koji se temelji na melaminskoj pjeni obloženoj reduciranim grafen oksidom. Melaminska pjena obložena ter grafen oksidom nalazi se u sredini i omotana je slojem polietilenske (PE) pjene s vanjske strane kako bi se izgradio sustav za isparavanje na površini koji stvara samomjehuriće.
Melaminska pjena obložena grafen oksidom reduciranim telurom koristi se za brzu apsorpciju upadnog sunčevog zračenja, pretvaranje sunčeve energije u toplinu i stvaranje pokretačke sile za isparavanje na površini. S druge strane, hidrofilna melaminska pjena obložena reduciranim grafen oksidom može kontinuirano uvlačiti slanu otopinu u zonu isparavanja.
Porozna struktura melaminske pjene obložene grafen trioksidom omogućuje generiranoj pari da pobjegne u okoliš, promičući hvatanje sunčeve svjetlosti i time povećavajući učinkovitost pretvorbe solarne energije u toplinu. Smanjena melaminska pjena obložena grafen oksidom je porozna i hidrofilna, što joj omogućuje da uvuče vodu u strukturu isparavanja opisanu gore, dok istovremeno razgrađuje koncentrirane soli natrag u masu morske vode.
Tijekom procesa isparavanja, koncentracija soli na pjeni je veća od koncentracije morske vode na dnu. Promjene u koncentraciji uzrokuju razgradnju soli u glavninu vode. Osim toga, okolna polietilenska pjena ne samo da smanjuje melaminsku pjenu obloženu grafen oksidom , već se i prirodno skuplja na površini vode, sprječavajući gubitak topline uzrokovan okolnom slanom vodom.
Sustavi isparavanja sučelja mogu kontinuirano i učinkovito raditi na vodenim površinama bez potrebe za složenim konstrukcijskim dizajnom. Nadalje, budući da se isparavanje događa na sučelju plin-tekućina, međufazni sustav isparavanja može se pomicati autonomno kada se sučelje povuče.
Melaminska pjena obložena grafen oksidom smanjenim sadržajem telura ključna je komponenta sustava za isparavanje međupovršine. Melaminska pjena uronjena je u koloidnu suspenziju grafen oksida kako bi se pripremila reducirana melaminska pjena obložena grafen oksidom, a zatim je grafen oksid reduciran u reducirani grafen oksid pomoću hidrotermalne metode.
Reducirana melaminska pjena obložena grafen oksidom promjera 3.5 cm i debljine 1.6 cm jednostavna je za izradu, a boja joj je duboko crna.
Hrapavost površine reduciranog melaminskog pjenastog materijala obloženog grafen oksidom promatrana pomoću trodimenzionalnog optičkog mikroskopa pokazala je visinsku varijaciju veću od 300 μm. Hrapava površinska struktura kompozita za solarnu toplinsku pretvorbu uglavnom se pripisuje poroznoj strukturi melaminske pjene, a modificirani reducirani grafen oksid također povećava hrapavost površine.
Površinska hrapavost povećava površinu solarne apsorpcije dok povećava višestruko raspršenje upadne sunčeve svjetlosti, čime se poboljšava učinkovitost pretvorbe solarne energije u toplinu sustava. Mikrostruktura pripremljene melaminske pjene pri različitim povećanjima. Površina melaminske pjene presvučena grafen oksidom pokazuje naboranu i međusobno povezanu mrežnu strukturu.
Veličina pora melaminske pjene obložene rGO je između 20 i 40 μm. Otvorena struktura pora i naborana površina olakšavaju taloženje grafen oksida. Melaminska pjena obložena smanjenim grafen oksidom ima dobru sposobnost vlaženja vodom zbog hidrofilnosti porozne melaminske pjene.
Jednom kada kapljica vode dotakne površinu melaminske pjene obložene reduciranim grafen oksidom, potpuno se apsorbira unutar 0.5 sekundi. Hidrofilna površina kompozita s reduciranim grafen oksidom može brzo voditi drenažu unutar porozne strukture. Poroznost melaminske pjene obložene reduciranim grafen oksidom određena je usporedbom promjena mase prije i nakon upijanja vode.
Poroznost melaminske pjene obložene grafen oksidom može doseći 85.55%. Apsorpcija sunčeve energije smanjenom melaminskom pjenom obloženom grafen oksidom izravno utječe na učinkovitost pretvorbe solarne energije u toplinu sustava. Kako bi se procijenila otpornost na sol, melaminska pjena obložena reduciranim grafen oksidom stavljena je u otopinu natrijevog klorida (3.5 tež.%).
Zatim je 3 g krutog natrijevog klorida stavljeno na gornju površinu i melaminska pjena obložena Tergo postavljena je na solarnu gustoću od 1 kW m−2. Količina krute soli postupno se otapa nakon 120 minuta.
Kada sunčeva svjetlost obasja gornju površinu melaminske pjene obložene rGO-om , temperatura melaminske pjene obložene rGO-om brzo raste unutar nekoliko minuta i ostaje na 35 °C tijekom cijelog procesa isparavanja. Budući da topljivost soli ovisi o temperaturi, što je temperatura viša, sol se brže otapa i stoga se željezna sol može ponovno otopiti u površinskoj vodi.
U smanjenoj melaminskoj pjeni obloženoj grafen oksidom, koja ima brojne pore s velikom sposobnošću upijanja vode koja može osigurati kontinuirani dotok vode na gornju površinu, soli se mogu kretati s gornje površine na podsloj vode. Promjene temperature dovode do promjena saliniteta između gornje površine isparavanja i tijela.
Kako bi se postigla širokopojasna i učinkovita apsorpcija sunčeve energije, melaminska pjena modificirana je poroznom hidrofilnom melaminskom pjenom, čime je povećana površina sunčeve apsorpcije i višestruko raspršenje.
Solarni međupovršinski sustav isparavanja temeljen na melaminskoj pjeni obloženoj rGO pokazuje brzi toplinski odziv pri gustoći solarne energije od 1 kW m−2, postižući postojanu učinkovitost solarne toplinske konverzije od 89.6%.
Naposljetku, integrirali smo isparivač melaminske pjene presvučen smanjenim grafen oksidom u solarnu destilaciju, koja može proizvesti 56.4% pitke vode s akumulacijom soli na 1 kW m−2.
Zamišljamo da bi se ovaj međufazni uređaj za desalinizaciju na solarni pogon mogao koristiti na izoliranim otocima ili u oceanu za prikupljanje pitke vode iz bogatih morskih ili drugih izvora slane vode.
Zaključak
Desalinizacija rGO-obložena melaminska pjena, kao inovativna i učinkovita tehnologija solarne desalinizacije, ima veliki potencijal i izglede za primjenu. Ne samo da može osigurati pouzdane izvore svježe vode za područja s nedostatkom vode, već i smanjiti ovisnost o tradicionalnoj energiji, smanjiti potrošnju energije i zagađenje okoliša.
Rezultati ovog istraživanja dat će važan doprinos rješavanju globalnog problema nedostatka slatkovodnih resursa i promicati ostvarenje održivog razvoja.
Za više informacija o SINOYQX melaminskoj pjeni, kontaktirajte nas na [email protected] ili nam pošaljite poruku na broj +86-28-8411-1861.
Neke slike i tekstovi reproducirani su s interneta, a autorska prava pripadaju izvornom autoru. Ako postoji bilo kakvo kršenje, kontaktirajte nas za brisanje.