Kao održiv način korištenja vodnih resursa, solarna desalinizacija ima veliki potencijal u rješavanju problema nedovoljnih resursa slatke vode i ublažavanju nestašice vode. Međutim, tradicionalna tehnologija desalinizacije morske vode često ima probleme kao što su visoka potrošnja energije, složena oprema i visoka cijena.
Posljednjih godina nove tehnologije premaza za desalinizaciju zasnovane na nanomaterijalima postupno su privukle pažnju istraživača. Grafen reduciran grafen oksidom, kao novi dvodimenzionalni materijal, pokazao je značajan potencijal u solarnoj desalinizaciji.
U poređenju sa tradicionalnim materijalima za desalinizaciju premaza, rGO ima prednosti odlične provodljivosti, visoke specifične površine i dobre hemijske stabilnosti, a očekuje se da će poboljšati efikasnost desalinizacije i smanjiti potrošnju energije.
Međutim, sam rGO ima problema s agregacijom i taloženjem, što smanjuje njegovu aktivnost i stabilnost. Stoga je fiksiranje rGO na pjenaste materijale radi formiranja kompozitnog premaza od melaminske pjene /rGO postalo efikasan način za poboljšanje efikasnosti i stabilnosti desalinizacije.
Modifikacijom površine i jačanjem nosivih svojstava pjenastog materijala, ravnomjerno smo fiksirali rGO na površinu pjene kako bismo povećali njegovu kontaktnu površinu s ionima soli u vodi. U isto vrijeme, struktura i debljina rGO premaza se kontroliraju kako bi se optimizirala efikasnost i stabilnost desalinizacije.
Da bismo stekli dublje razumijevanje mehanizma desalinizacije, pripremili smo i pjenu reduciranog grafenskog oksida (rGO). Melaminska pjena obložena grafen trioksidom ima inherentnu poroznu mikrostrukturu i hidrofilnost, što joj omogućava dobru kvašenje i može privući vodu u područje isparavanja, omogućavajući brzo nadopunjavanje vode, izbjegavajući taloženje soli.
Interfacijski sistem isparavanja melaminske pene obložene grafen oksidom može postići stabilnu efikasnost isparavanja od 89.6% pod solarnim gorivom od 1kW m−2. Ovaj interfacijski sistem isparavanja ima visoku efikasnost konverzije solarne energije u toplinu i dobru dugoročnu stabilnost, pokazujući potencijal za komercijalno desalinizaciju morske vode.
Trenutno su globalna energetska kriza i nestašica vode postali glavna prijetnja održivom razvoju ljudskog društva. Kako bi se zadovoljila rastuća potražnja za energijom, razvoj različitih tehnologija za konverziju energije visokih performansi i prečišćavanje vode dobija sve veću pažnju.
Tehnologija interfacijalnog isparavanja na solarni pogon
Kao obećavajući obnovljivi izvor energije, solarna energija je zahvaljujući svom ultra-velikom kapacitetu, univerzalnosti, čistoći i multifunkcionalnim mogućnostima konverzije. Pokazao je potencijal zamjene fosilnih goriva zadržanih fosilnim gorivima.
Osim solarne fotonaponske tehnologije koja direktno proizvodi električnu energiju, tehnologija konverzije solarno-termalne energije također apsorbira sunčevu energiju i pretvara je u toplinsku energiju, što se smatra jednostavnim i učinkovitim načinom korištenja sunčeve energije.
Toplotna energija pretvorena iz solarne energije može pokretati važne industrijske procese kao što su solarne termoelektrane, solarna desalinizacija, sterilizacija, solarni sistemi za grijanje vode i druge aplikacije vezane za toplinu. Solarna desalinizacija nudi efikasno rješenje, posebno za područja koja nemaju infrastrukturu, jer može izvući svježu vodu iz morske vode bez dodatnog unosa energije.
Poslednjih godina, solarna tehnologija interfacijalnog isparavanja locira proces konverzije solarne toplote na interfejsu tečnost-para i postala je nova tehnologija korišćenja solarne energije. U poređenju sa tradicionalnim integralnim grijanjem, međufazni sistemi isparavanja pokazuju veću efikasnost isparavanja i brži termalni odgovor i potencijalna su alternativa za desalinizaciju morske vode.
Do sada su provedena mnoga istraživanja o poboljšanju termičkih performansi međufaznih sistema za isparavanje. Tipičan solarni sistem interfacijalnog isparavanja sastoji se od tri važna dijela:
Solarni apsorber sa visokom solarnom apsorpcijom i efikasno pretvara sunčevo zračenje u toplotnu energiju; izolator koji prenosi pretvorenu toplotu na masu vode; i put za dovod vode koji kontinuirano izvlači vodu iz velike količine vode do površine solarnog apsorbera.
U prethodnim studijama, veliki broj istraživača posvetio se poboljšanju ukupne efikasnosti konverzije solarne energije u paru sintezom širokopojasnih materijala i materijala koji apsorbiraju solarnu energiju, optimizacijom dizajna novih puteva vodosnabdijevanja i poboljšanjem termoizolacijskih struktura.
Do sada su se solarni sistemi interfacijalnog isparavanja koristili u mnogim industrijskim procesima, induciranoj solarnoj destilaciji, solarnoj sterilizaciji, solarnoj desalinizaciji i proizvodnji solarne energije. Da bi se postigle visoke performanse isparavanja sistema, važno je istražiti širokopojasnu apsorpciju u solarnom spektru materijala koji apsorbuju sunčevu energiju.
Materijali za apsorpciju solarne energije razvijeni i istraženi u sistemima za isparavanje na međufaznim pogonima na solarni pogon uglavnom uključuju ugljične materijale, plazmonske čestice i spektralno selektivne apsorbirajuće materijale. Među njima, prirodni crni i ugljični materijali imaju snažne mogućnosti konverzije sunčeve topline i pogodni su za širokopojasne i solarne apsorbere visokog intenziteta.
Zbog njihove visoke stope solarne apsorpcije, niske cijene i dobre stabilnosti, proučavani su mnogi solarni apsorberi na bazi ugljika, uključujući ugljične nanocijevi, grafit i reduciran grafen oksid. Nakon godina razvoja, efikasnost konverzije solarne energije u paru pod dnevnim svjetlom dostigla je više od 90%.
Iako je došlo do velikih poboljšanja u razvoju materijala koji apsorbuju sunčevu energiju i dizajniranju međufaznih struktura za isparavanje, većina prethodno prijavljenih solarnih uređaja za desalinizaciju bila je zbog nakupljanja soli na gornjoj površini isparivača tokom procesa desalinizacije. Akumulirana sol blokira solarnu apsorpciju i blokira porozni isparivač, što rezultira niskom efikasnošću konverzije 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 ove metode mogu lako uzrokovati oštećenje strukture isparavanja na graničnoj površini.
Kako bi se smanjilo nakupljanje soli u interfacijalnim sistemima isparavanja, mnoge studije su se fokusirale na razvoj hidrofobnog isparavanja. Međutim, hidrofobni isparivači ograničavaju dovod vode do gornje površine, čime se smanjuju performanse isparavanja sistema. Drugi način za rješavanje ovog problema je korištenje hidrofilnog isparivača, koji pomiče višak soli s gornje površine u masu vode.
Do danas su se mnoge studije fokusirale na dizajniranje hidrofilnih isparivača, kao što su hidrofilne membrane od celulozne tkanine, hidrofilne membrane na bazi papira i bio-inspirirani isparivači. Ali razvoj dugoročno stabilnog i visoko efikasnog solarnog sistema interfacijalnog isparavanja ostaje značajan izazov.
U ovoj studiji demonstriramo pjenu otpornu na sol, visoko efikasnu apsorbirajuću sunčevu energiju i brzu termički osjetljivu pjenu od reduciranog grafenskog oksida (rGO) za međufaznu desalinizaciju na solarnu energiju pod niskom fluorescentnom sunčevom rasvjetom.
U novoj poroznoj strukturi, kao osnova 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 melaminske pjene obložene reduciranim grafen oksidom osiguravaju dovoljno vlaženje i fuziju zone konverzije sunčeve topline, kao i brzo nadopunjavanje vode, uz izbjegavanje akumulacije soli.
Koristeći prednosti visokih performansi melaminske pjene obložene reduciranim grafenskim oksidom, interfacijski sistem na solarni pogon sposoban je za stopu konverzije solarne u paru od 89.6%.
Nadalje, integracijom melaminske pjene obložene reduciranim grafenskim oksidom u komercijalnu solarnu energiju, dizajnirali smo i proizveli uređaj za desalinizaciju morske vode na solarni pogon s efikasnošću konverzije solarne u vodu od 56.4% pod dnevnom svjetlošću. Zbog solarne desalinizacije, prikupljena čista voda je pitkog kvaliteta.
Uz superiorne performanse isparavanja i skalabilnost materijala za konverziju iz solarne u toplinsku, ovaj sistem za međufaznu desalinizaciju morske vode na solarni pogon predstavlja široku perspektivu primjene u praktičnim primjenama desalinizacije morske vode.
Skalabilnost materijala za prijenos topline za solarnu desalinizaciju
Interfacijski sistem isparavanja baziran na melaminskoj pjeni obloženoj reduciranim grafen oksidom. Melaminska pjena obložena tergrafenskim oksidom nalazi se u sredini i omotana je slojem polietilenske (PE) pjene sa vanjske strane kako bi se konstruirao sistem za isparavanje sa samomjehurićima.
Melaminska pjena presvučena grafenskim oksidom sa smanjenim sadržajem telura koristi se za brzo apsorbiranje sunčevog zračenja, pretvaranje sunčeve energije u toplinu i stvaranje pokretačke sile za isparavanje na površini. S druge strane, melaminska pjena obložena hidrofilno reduciranim grafen oksidom može kontinuirano uvlačiti slanu otopinu u zonu isparavanja.
Porozna struktura melaminske pjene obložene grafen trioksidom omogućava generiranoj pari da pobjegne u okolinu, promovišući hvatanje sunčeve svjetlosti i na taj način povećavajući efikasnost konverzije solarne energije u toplinu. Redukovana melaminska pjena obložena grafenskim oksidom je porozna i hidrofilna, što joj omogućava da uvuče vodu u gore opisanu strukturu isparavanja, dok istovremeno razlaže koncentrirane soli natrag u masu morske vode.
Tokom 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.
Interfejsni sistemi za isparavanje mogu raditi kontinuirano i efikasno na vodenim površinama bez potrebe za složenim konstrukcijskim projektima. Nadalje, budući da se isparavanje događa na granici plin-tečnost, sistem interfacijalnog isparavanja može se kretati autonomno kada se interfejs povuče.
Melaminska pjena presvučena grafenskim oksidom redukovana telurom ključna je komponenta interfacijalnog sistema isparavanja. Melaminska pjena je uronjena u koloidnu suspenziju grafen oksida kako bi se pripremila melaminska pjena obložena reduciranim grafen oksidom, a zatim je grafen oksid reduciran u reducirani grafen oksid hidrotermalnom metodom.
Redukovana melaminska pjena obložena grafenskim oksidom, promjera 3.5 cm i debljine 1.6 cm, jednostavna je za proizvodnju, a njena boja je tamno crna.
Hrapavost površine melaminskog pjenastog materijala obloženog reduciranim grafenskim oksidom promatrana trodimenzionalnim optičkim mikroskopom pokazala je varijaciju visine više od 300 μm. Gruba površinska struktura kompozita za solarnu termičku konverziju uglavnom se pripisuje poroznoj strukturi melaminske pjene, a modificirani reducirani grafen oksid također povećava hrapavost površine.
Hrapavost površine pojačava površinu apsorpcije sunčeve svjetlosti dok povećava višestruko raspršivanje upadne sunčeve svjetlosti, čime se poboljšava efikasnost konverzije solarne energije u toplinu. Mikrostruktura pripremljene melaminske pjene pri različitim uvećanjima. Površina melaminske pjene obložena grafen oksidom pokazuje naboranu i međusobno povezanu mrežnu strukturu.
Veličina pora melaminske pjene obložene rGO je između 20 i 40 μm. Struktura otvorenih pora i naborana površina olakšavaju taloženje grafenskog oksida. Redukovana melaminska pjena obložena grafenskim oksidom ima dobru kvašenje vodom zbog hidrofilnosti porozne melaminske pjene.
Jednom kada kapljica vode dodirne površinu melaminske pjene obložene reduciranim grafen oksidom, potpuno se apsorbira u roku od 0.5 sekundi. Hidrofilna površina kompozita redukovanog grafenskog oksida može brzo voditi drenažu unutar porozne strukture. Poroznost melaminske pjene obložene reduciranim grafen oksidom određena je poređenjem promjena mase prije i nakon apsorpcije vode.
Poroznost melaminske pjene obložene grafen oksidom može doseći 85.55%. Apsorpcija solarne energije melaminskom pjenom obloženom reduciranim grafen oksidom direktno utiče na efikasnost konverzije solarne energije u toplinu. Da bi se procijenila otpornost na sol, melaminska pjena obložena reduciranim grafen oksidom stavljena je u otopinu natrijum hlorida (3.5 tež.%).
Zatim je 3 g čvrstog natrijum hlorida stavljeno na gornju površinu i Tergo obložena melaminska pjena je postavljena na solarnu gustinu od 1 kW m−2. Količina čvrste soli postepeno se otapa nakon 120 minuta.
Kada sunčeva svjetlost obasja gornju površinu melaminske pjene obložene rGO-om , temperatura melaminske pjene obložene rGO-om brzo raste u roku od nekoliko minuta i ostaje na 35°C tokom cijelog procesa isparavanja. Budući da topljivost soli ovisi o temperaturi, što je temperatura viša, to se sol brže otapa i stoga se željezna sol može ponovo otopiti u površinskoj vodi.
U melaminskoj pjeni obloženoj reduciranim grafenskim oksidom, koja ima brojne pore s visokim kapacitetom upijanja vode koja može osigurati kontinuirano dovod vode do gornje površine, soli se mogu kretati s gornje površine na podsloj vode. Promjene temperature dovode do promjena saliniteta između gornje površine isparavanja i tijela.
Da bi se postigla širokopojasna i efikasna apsorpcija sunčeve energije, melaminska pjena je modificirana poroznom hidrofilnom melaminskom pjenom, čime se povećava površina apsorpcije sunčeve energije i povećava višestruko raspršenje.
Solarni sistem interfacijalnog isparavanja baziran na melaminskoj pjeni obloženoj rGO pokazuje brz termalni odgovor pri gustini solarne energije od 1 kW m−2, postižući efikasnost solarne termalne konverzije u stabilnom stanju od 89.6%.
Konačno, integrirali smo isparivač melaminske pjene obložen reduciranim grafenskim oksidom u solarni destilator, koji može proizvesti 56.4% vode za piće s akumulacijom soli na 1 kW m−2.
Predviđamo da bi se ovaj uređaj za međufaznu desalinizaciju na solarni pogon mogao koristiti na izoliranim otocima ili u oceanu za prikupljanje vode za piće iz bogate morske vode ili drugih resursa slane vode.
zaključak
Melaminska pjena presvučena rGO-om za desalinizaciju, kao inovativna i efikasna tehnologija solarne desalinizacije, ima veliki potencijal i izglede za primjenu. Ne samo da može obezbijediti 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 će dati važan doprinos rješavanju globalnog problema nedostatka slatkovodnih resursa i promovirati realizaciju 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 su reprodukovani sa interneta, a autorska prava pripadaju originalnom autoru. Ako postoji bilo kakvo kršenje, molimo kontaktirajte nas da ga izbrišemo.