Solarno vođeno međufazno isparavanje (SIE) smatra se jednom od najperspektivnijih tehnologija za ublažavanje nestašice slatke vode zbog svoje sposobnosti da efikasno koristi solarnu energiju za proizvodnju slatke vode. Osim toga, solarni isparivači imaju jedinstvene prednosti u tretmanu koncentrovane slane otpadne vode . Proces isparavanja proizvodi samo kristale soli kao nusprodukt, čime se postiže nulto ispuštanje tečnosti. Međutim, nakupljanje soli u isparivaču će ometati apsorpciju svjetlosti i uticati na izlaz pare, što će na kraju dovesti do smanjenja performansi isparavanja isparivača ili čak kvara.
Kako bi ublažili ovaj problem, neki istraživači su predložili strategiju "cirkulacije soli". To jest, dizajniran je put cirkulacije za otopinu kako bi se ioni soli vratili u slanu vodu, čime se sprječava kristalizacija soli na površini za isparavanje i postiže kontinuirano i stabilno isparavanje. Međutim, ova metoda će uzrokovati povećanje slanosti otopine, a problem kristalizacije soli je i dalje neizbježan.
Drugo rješenje je strategija "isoljavanja". To jest, struktura je regulirana tako da se sol preferencijalno kristalizira u području bez isparavanja, čime se smanjuje utjecaj kristalizacije soli na performanse isparavanja, a time postiže istovremeno sakupljanje soli i slatke vode. Međutim, strategija "isoljavanja" se i dalje suočava s nekim ozbiljnim izazovima u praktičnoj primjeni.
Prvo, jednodimenzionalni transport slane vode ograničava apsorpcijski kapacitet, značajno smanjujući ukupnu brzinu isparavanja. Drugo, strategija kristalizacije soli zahtijeva redovno uklanjanje kristala soli, koji teško automatski otpadaju s površine isparivača zbog njihove jake adhezije. Ako se nataložena sol ne ukloni na vrijeme, performanse isparavanja će se neminovno smanjiti. Osim toga, mnogi visokoefikasni solarni isparivači zahtijevaju opasne ili dugotrajne procese pripreme, kao što su termička obrada pod visokim pritiskom, niskim vakuumom ili visokom temperaturom.
Stoga je razvoj izdržljivog solarnog isparivača za postizanje dugoročnog, efikasnog i stabilnog isparavanja vode i sakupljanja soli kroz jednostavan proces pripreme za desalinizaciju bez ispuštanja tečnosti neostvareni naučni cilj.
Na osnovu gore navedenih izazova, istraživački tim Prvog medicinskog univerziteta Shandong pripremio je trodimenzionalni gradijentni grafenski spiralni aerogel isparivač, koji može postići efikasno solarno isparavanje slane vode visoke koncentracije i postići nulto ispuštanje tečnosti.
Kako bi se ispunili strogi zahtjevi solarnih isparivača u pogledu efikasne apsorpcije solarne energije, potpunog iskorištavanja energije, odlične otpornosti na sol i dugoročne stabilnosti, dizajn projekta se uglavnom fokusira na sljedeće četiri ključne tačke:
Fokus na strukturnom dizajnu i poboljšanju hemijske stabilnosti
Isparivač mora imati snažnu mrežnu strukturu i hemijsku stabilnost, što je ključno za postizanje dugoročne, efikasne i stabilne solarne desalinizacije. Stoga su odabrali jeftinu, superhidrofilnu, visokoporoznu i visokootpornu melaminsku pjenu kao noseći kostur solarnog isparivača.
Zatim su proučavali mehanička svojstva grafenskih aerogelova s melaminskom pjenom kao skeletom u više načina, uključujući kompresiju, savijanje i zatezanje, kako bi sveobuhvatno procijenili njihova mehanička svojstva.
Kako bi dodatno provjerili njegovu robusnost i izdržljivost u stvarnim uvjetima primjene, istraživački tim je proveo testove u različitim ekstremnim uvjetima.
Konkretno, uzorak su više puta savijali 20 puta na zraku i vodi, potapali ga u kisele i alkalne otopine te ga stavljali u teška okruženja poput visoke temperature i ultrazvučnog miješanja.
Nakon ovih rigoroznih testova, nisu pronašli značajne promjene u izgledu i mikrostrukturi uzorka, što je u potpunosti pokazalo njegovu izvrsnu izdržljivost i strukturnu stabilnost.
Fokus na pojednostavljenju i ekonomskom poboljšanju proizvodnih procesa
Kako bi postigli jednostavnost i ekonomičnost u procesu proizvodnje isparivača i izbjegli upotrebu skupe opreme, osmislili su sljedeće korake pripreme:
Prvi korak je vruće presovanje
Koristeći tehnologiju vrućeg presovanja, istraživački tim je komprimovao melaminske pjene različitih debljina kako bi dobio prethodno presovani melaminski film debljine 1 mm.
Tokom ovog procesa, kako se odnos originalne debljine uzorka i konačne komprimirane debljine povećava, veličina pora prethodno presovanog melaminskog filma se fino reguliše od 150 μm do 20 μm , formirajući jedinstvenu trodimenzionalnu gradijentnu mrežnu strukturu.
Drugi korak je površinsko prskanje
Koristite bocu s raspršivačem da biste ravnomjerno poprskali suspenziju grafen oksida po površini prethodno presovane melaminske folije . Postignuta je ravnomjerna raspodjela grafen oksida u foliji, što je postavilo temelje za naknadnu solarnu redukciju.
Treći korak je sušenje pod atmosferskim pritiskom
Nakon prskanja, film su stavili direktno na zrak radi prirodnog sušenja na zraku. Ovaj korak izbjegava složene, dugotrajne i energetski zahtjevne procese pripreme poput liofilizacije, superkritičnog sušenja i zamjene rastvarača.
Četvrti korak je smanjenje sunčeve svjetlosti
To jest, korištenjem lupe za fokusiranje sunčeve svjetlosti na uzorak. Pod djelovanjem ultraljubičastih zraka, boja površine uzorka brzo se mijenja iz smeđe u crnu, što ukazuje na to da je grafen oksid uspješno reduciran do reduciranog grafen oksida.
Ova metoda solarne redukcije nije samo jednostavna za korištenje i ekološki prihvatljiva, već ne zahtijeva upotrebu hemijskih redukcijskih sredstava ili visokotemperaturnih termičkih redukcijskih procesa, što značajno smanjuje troškove proizvodnje i zagađenje okoliša.
Fokus na efikasnoj apsorpciji solarne energije i minimiziranju gubitaka energije
Solarni isparivači ne samo da moraju apsorbirati i pretvarati širok spektar sunčeve energije u toplinsku energiju, već i minimizirati gubitke energije uzrokovane difuznom refleksijom i toplinskim zračenjem, te uhvatiti dodatnu energiju iz okoline. Proces isparavanja na solarnom grani kontroliraju tri energetska toka: ulaz sunčeve energije, izlaz energije isparavanja i energija raspršena u okolinu.
Nažalost, konvencionalni dvodimenzionalni solarni isparivači suočavaju se s problemima disipacije energije zbog izmjene topline s okolnom sredinom, što otežava postizanje idealne 100% efikasnosti pretvorbe solarne energije u paru. Nasuprot tome, trodimenzionalni solarni isparivači mogu probiti teorijsku granicu efikasnosti pretvorbe solarne energije u paru.
Kako bi smanjili gubitak energije uzrokovan difuznom refleksijom i toplinskim zračenjem na gornjoj površini trodimenzionalnog uzorka, tim je dizajnirao trodimenzionalni spiralni konkavni grafenski aerogel.
Ova struktura ne samo da ima veću apsorpciju i nižu refleksivnost, već su i njeni bočni zidovi sposobni apsorbovati ambijentalnu toplotu i toplotu difuzno reflektovanu od dna, čime omogućavaju efikasnu rekuperaciju energije.
Fokus na optimizaciju tolerancije soli i upravljanje kristalizacijom soli
To jest; dizajniranjem jedinstvenog transportnog kanala, potiče se radijalni transport slane vode, što dovodi do usmjerene kristalizacije soli. Ovaj dizajn ne samo da efikasno sprječava taloženje i začepljenje soli na površini isparivača, već i ostvaruje efikasno sakupljanje i korištenje soli, čime se značajno poboljšava efikasnost i održivost procesa desalinizacije.
Konkretno, oni su dizajnirali i pripremili trodimenzionalnu gradijentnu grafensku mrežnu strukturu zasnovanu na prethodno presovanom poroznom melaminskom filmu . Ova gradijentna grafenska mreža, koja je rijetka iznutra, a gusta izvana, može formirati razliku radijalnih kapilarnih sila, što potiče radijalni transport slane vode. Kako se para nastavlja generirati, radijalni tok slane vode povećava koncentraciju slane vode u vanjskom području, uzrokujući da se sol kristalizira usmjereno na vanjskoj površini, a ne na unutrašnjoj površini. Ovaj dizajn osigurava da unutrašnja površina isparivača održava dovoljnu površinu isparavanja, čime se postiže efikasno i stabilno solarno isparavanje.
Vrijedi spomenuti da isparivač koristi cijelu svoju vanjsku površinu za kristalizaciju soli, što područje kristalizacije čini mnogo većim nego kod drugih isparivača s usmjerenom kristalizacijom.
Kristali soli se uglavnom sastoje od labavo zbijenih kristala soli s obilnim porama, što je korisno za transport slane vode i oslobađanje pare.
Nadalje, zbog efekta isparavanja i hlađenja, površinska temperatura sloja soli je niža od temperature okoline. Ova karakteristika omogućava isparivaču da apsorbuje više energije iz okoline, što dodatno poboljšava performanse isparavanja.
Izvor članka: Deep Tech
Istraživačka grupa: Istraživačka grupa tima Prvog medicinskog univerziteta Shandong
Članak je citiran sa: https://www.163.com/dy/article/J1RENDEH05119734.html
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 su reprodukovani sa interneta, a autorska prava pripadaju originalnom autoru. Ako postoji bilo kakvo kršenje, molimo kontaktirajte nas da ga izbrišemo.