Као одржив начин коришћења водних ресурса, соларна десалинизација има велики потенцијал у решавању проблема недовољних ресурса свеже воде и ублажавању несташице воде. Међутим, традиционална технологија десалинизације морске воде често има проблеме као што су велика потрошња енергије, сложена опрема и висока цена.
Последњих година, нове технологије премаза за десалинизацију засноване на наноматеријалима постепено су привукле пажњу истраживача. Графен редуковани графен оксидом, као нови дводимензионални материјал, показао је значајан потенцијал у соларној десалинизацији.
У поређењу са традиционалним материјалима за десалинизацију премаза, рГО има предности одличне проводљивости, високе специфичне површине и добре хемијске стабилности, а очекује се да ће побољшати ефикасност десалинизације и смањити потрошњу енергије.
Међутим, сам rGO има проблеме агрегације и таложења, што смањује његову активност и стабилност. Стога је фиксирање rGO на пенасте материјале ради формирања композитног премаза од меламинске пене /rGO постало ефикасан начин за побољшање ефикасности и стабилности десалинизације.
Модификацијом површине и јачањем носивих својстава пенастог материјала, равномерно смо фиксирали рГО на површини пене да бисмо повећали његову контактну површину са јонима соли у води. У исто време, структура и дебљина рГО премаза се контролишу како би се оптимизовала ефикасност и стабилност десалинизације.
Да бисмо стекли дубље разумевање механизма десалинизације, припремили смо и пену редукованог графенског оксида (рГО). Меламинска пена обложена графен триоксидом има инхерентну порозну микроструктуру и хидрофилност, што јој омогућава добру квашење и може привући воду у подручје испаравања, омогућавајући брзо допуњавање воде уз избегавање таложења соли.
Систем интерфацијалног испаравања меламинске пене обложене графен оксидом може постићи стабилну ефикасност испаравања од 89.6% под соларним горивом од 1кВ м−2. Овај интерфацијски систем испаравања има високу ефикасност конверзије соларне енергије у топлоту и добру дугорочну стабилност, показујући потенцијал за комерцијално десалинизацију морске воде.
Тренутно су глобална енергетска криза и несташица воде постали главна претња одрживом развоју људског друштва. Да би се задовољила растућа потражња за енергијом, развој различитих технологија за конверзију енергије високих перформанси и пречишћавање воде добија све већу пажњу.
Технологија интерфацијалног испаравања на соларни погон
Као обећавајући обновљиви извор енергије, соларна енергија је због свог ултра-великог капацитета, универзалности, чистоће и мултифункционалних могућности конверзије. Показао је потенцијал да замени фосилна горива задржана фосилним горивима.
Поред соларне фотонапонске технологије која директно генерише електричну енергију, технологија конверзије соларно-термалне енергије такође апсорбује сунчеву енергију и претвара је у топлотну, што се сматра једноставним и ефикасним начином коришћења соларне енергије.
Топлотна енергија претворена из соларне енергије може покретати важне индустријске процесе као што су соларне термоелектране, соларна десалинизација, стерилизација, соларни системи за грејање воде и друге апликације везане за топлоту. Соларна десалинизација нуди ефикасно решење, посебно за подручја којима недостаје инфраструктура, јер може извући свежу воду из морске воде без додатног уноса енергије.
Последњих година, соларна технологија интерфацијалног испаравања лоцира процес конверзије соларне топлоте на интерфејсу течност-пара и постала је нова технологија коришћења соларне енергије. У поређењу са традиционалним интегралним грејањем, међуфазни системи испаравања показују већу ефикасност испаравања и бржи термички одговор и потенцијална су алтернатива за десалинизацију морске воде.
До сада су спроведене многе студије о побољшању топлотних перформанси међуфазних система за испаравање. Типичан соларни систем интерфацијалног испаравања састоји се од три важна дела:
Соларни апсорбер са високом соларном апсорпцијом и ефикасно претвара сунчево зрачење у топлотну енергију; изолатор који претвара претворену топлоту у воду; и пут за довод воде који континуирано извлачи воду из велике количине воде до површине соларног апсорбера.
У претходним студијама, велики број истраживача се посветио побољшању укупне ефикасности конверзије соларне енергије у пару синтезом широкопојасних материјала и материјала који апсорбују соларну енергију, оптимизацијом дизајна нових путева водоснабдевања и побољшањем структура топлотне изолације .
До сада су соларни системи интерфацијалног испаравања коришћени у многим индустријским процесима, индукованој соларној дестилацији, соларној стерилизацији, соларној десалинизацији и производњи соларне енергије. Да би се постигао висок учинак испаравања система, важно је истражити широкопојасну апсорпцију у соларном спектру материјала који апсорбују сунчеву енергију.
Материјали за апсорпцију соларне енергије развијени и истражени у системима за испаравање на међуфазном погону на соларни погон углавном укључују угљеничне материјале, плазмонске честице и спектрално селективне апсорбујуће материјале. Међу њима, природни црни и угљени материјали имају снажне могућности конверзије соларне топлоте и погодни су за широкопојасне и соларне апсорбере високог интензитета.
Због њихове високе стопе соларне апсорпције, ниске цене и добре стабилности, проучавани су многи соларни апсорбери на бази угљеника, укључујући угљеничне наноцеви, графит и редуковани графен оксид. Након година развоја, ефикасност конверзије соларне енергије у пару под дневним светлом достигла је више од 90%.
Иако је дошло до великих побољшања у развоју материјала који апсорбују сунчеву енергију и дизајнирању међуфазних структура за испаравање, већина претходно пријављених уређаја за соларну десалинизацију је настала због акумулације соли на горњој површини испаривача током процеса десалинизације. Акумулирана со блокира сунчеву апсорпцију и блокира порозни испаривач, што резултира ниском ефикасношћу конверзије соларне енергије у топлоту и лошим перформансама испаравања.
Традиционалне физичке методе као што су ултразвучни таласи и урањање у воду се генерално користе за уклањање акумулираних соли, али ове методе могу лако да изазову оштећење структуре испаравања интерфејса.
Да би се смањила акумулација соли у међуфазним системима испаравања, многе студије су се фокусирале на развој хидрофобног испаравања. Међутим, хидрофобни испаривачи ограничавају довод воде до горње површине, чиме се смањују перформансе испаравања система. Други начин да се реши овај проблем је коришћење хидрофилног испаривача, који помера вишак соли са горње површине у воду.
До данас, многе студије су се фокусирале на пројектовање хидрофилних испаривача, као што су мембране од хидрофилне целулозне тканине, хидрофилне мембране на бази папира и био-инспирисани испаривачи. Али развој дугорочно стабилног и високо ефикасног система интерфацијалног испаравања који покреће соларна енергија остаје значајан изазов.
У овој студији демонстрирамо пену отпорну на со, високо ефикасну апсорбујућу сунчеву енергију и брзу термички осетљиву пену од редукованог графенског оксида (рГО) за међуфазну десалинизацију на соларну енергију под ниским флуоресцентним сунчевим осветљењем.
У новој порозној структури, хидрофилна меламинска пена (МФ) је изабрана као основа, која не само да проширује површину за апсорпцију сунчеве светлости, већ и побољшава вишеструко расејање.
Површинска хидрофилност и порозност меламинске пене обложене редукованим графен оксидом обезбеђују довољно влажење и фузију зоне конверзије сунчеве топлоте, као и брзо допуњавање воде, уз избегавање акумулације соли.
Користећи предности високих перформанси меламинске пене обложене редукованим графенским оксидом, интерфајсни систем на соларни погон је способан за стопу конверзије соларне у пару од 89.6%.
Штавише, интеграцијом меламинске пене обложене редукованим графен оксидом у комерцијалну соларну енергију, дизајнирали смо и произвели уређај за десалинизацију морске воде на соларни погон са ефикасношћу конверзије соларне у воду од 56.4% под дневном светлошћу. Због соларне десалинизације, прикупљена чиста вода је питког квалитета.
Са супериорним перформансама испаравања и скалабилношћу материјала за конверзију из соларне у топлотну, овај систем за међуфазну десалинизацију морске воде на соларни погон представља широку примену у практичним применама десалинације морске воде.
Скалабилност материјала за пренос топлоте за соларну десалинизацију
Интерфацијски систем за испаравање заснован на меламинској пени обложеној редукованим графенским оксидом. Меламинска пена обложена терграфенским оксидом налази се у средини и омотана је слојем полиетиленске (ПЕ) пене са спољашње стране да би се направио систем за испаравање са самомехурићем.
Меламинска пена обложена графенским оксидом са смањеним садржајем телуријума користи се за брзо апсорбовање сунчевог зрачења, претварање сунчеве енергије у топлоту и стварање покретачке силе за испаравање на површини. С друге стране, хидрофилна редукована меламинска пена обложена графенским оксидом може континуирано увлачити раствор соли у зону испаравања.
Порозна структура меламинске пене обложене графен триоксидом омогућава генерисаној пари да побегне у околину, промовишући хватање сунчеве светлости и на тај начин повећавајући ефикасност конверзије соларне енергије у топлоту. Меламинска пена обложена редукованим графен оксидом је порозна и хидрофилна, омогућавајући јој да увуче воду у горе описану структуру испаравања док истовремено разлаже концентроване соли назад у масу морске воде.
Током процеса испаравања, концентрација соли на пени је већа од концентрације морске воде на дну. Промене у концентрацији доводе до разградње соли у већи део воде. Поред тога, околна полиетиленска пена не само да смањује меламинску пену обложену графен оксидом , већ се и природно скупља на површини воде, спречавајући губитак топлоте изазван околном сланом водом.
Интерфејсни системи за испаравање могу да раде континуирано и ефикасно на воденим површинама без потребе за сложеним конструкцијским дизајном. Штавише, пошто се испаравање дешава на интерфејсу гас-течност, систем интерфацијалног испаравања може да се креће аутономно када се интерфејс повуче.
Меламинска пена обложена графен оксидом смањена са телом је кључна компонента интерфацијалног система испаравања. Меламинска пена је уроњена у колоидну суспензију графен оксида да би се припремила меламинска пена обложена редукованим графен оксидом, а затим је графен оксид редукован у редуковани графен оксид хидротермалном методом.
Меламинска пена обложена редукованим графен оксидом пречника 3.5 цм и дебљине 1.6 цм је лака за производњу и њена боја је тамно црна.
Храпавост површине материјала од меламинске пене обложеног редукованим графен оксидом, посматрана помоћу тродимензионалног оптичког микроскопа, показала је варијацију висине од више од 300 μм. Груба површинска структура композита за соларну термичку конверзију се углавном приписује порозној структури меламинске пене, а модификовани редуковани графен оксид такође повећава храпавост површине.
Храпавост површине повећава површину апсорпције сунчеве светлости док повећава вишеструко расејање упадне сунчеве светлости, чиме се побољшава ефикасност конверзије соларне енергије у топлоту система. Микроструктура припремљене меламинске пене при различитим увећањима. Површина меламинске пене обложена графен оксидом показује наборану и међусобно повезану мрежну структуру.
Величина пора меламинске пене обложене рГО је између 20 и 40 μм. Структура отворених пора и наборана површина олакшавају таложење графенског оксида. Меламинска пена обложена редукованим графенским оксидом има добру способност влажења водом због хидрофилности порозне меламинске пене.
Једном када капљица воде додирне површину меламинске пене обложене редукованим графенским оксидом, потпуно се апсорбује у року од 0.5 секунди. Хидрофилна површина композита редукованог графенског оксида може брзо водити дренажу унутар порозне структуре. Порозност меламинске пене обложене редукованим графен оксидом одређена је поређењем промена масе пре и после апсорпције воде.
Порозност меламинске пене обложене графен оксидом може да достигне 85.55%. Апсорпција соларне енергије меламинском пеном обложеном редукованом графен оксидом директно утиче на ефикасност конверзије соларне енергије у топлоту. Да би се проценила отпорност на соли, меламинска пена обложена редукованим графен оксидом стављена је у раствор натријум хлорида (3.5 теж.%).
Затим је 3 г чврстог натријум хлорида стављено на горњу површину и Терго обложена меламинска пена је постављена на сунчеву густину од 1 кВ м−2. Количина чврсте соли се постепено раствара након 120 минута.
Када сунчева светлост обасја горњу површину меламинске пене обложене rGO-ом , температура меламинске пене обложене rGO-ом брзо расте у року од неколико минута и остаје на 35°C током целог процеса испаравања. Пошто растворљивост соли зависи од температуре, што је температура виша, со се брже раствара и стога се гвожђе у сољи може поново растворити у површинској води.
У меламинској пени обложеној редукованим графенским оксидом, која има бројне поре са високим капацитетом апсорпције воде који могу да обезбеде континуирано снабдевање водом горње површине, соли се могу кретати са горње површине на подслој воде. Промене температуре доводе до промена салинитета између горње површине испаравања и тела.
Да би се постигла широкопојасна и ефикасна апсорпција сунчеве енергије, меламинска пена је модификована порозном хидрофилном меламинском пеном, чиме се повећава површина апсорпције сунчеве енергије и повећава вишеструко расејање.
Соларни систем интерфацијалног испаравања заснован на меламинској пени обложеној рГО показује брз термални одговор при густини соларне енергије од 1 кВ м−2, постижући ефикасност соларне термалне конверзије у стабилном стању од 89.6%.
Коначно, интегрисали смо испаривач меламинске пене обложен редукованим графенским оксидом у соларни дестилатор, који може да произведе 56.4% воде за пиће са акумулацијом соли на 1 кВ м-2.
Предвиђамо да би се овај уређај за међуфазну десалинизацију на соларни погон могао користити на изолованим острвима или у океану за прикупљање воде за пиће из богате морске воде или других ресурса слане воде.
Закључак
Меламинска пена пресвучена рГО-ом за десалинизацију, као иновативна и ефикасна технологија соларне десалинизације, има велики потенцијал и изгледе за примену. Не само да може да обезбеди поуздане изворе свеже воде за подручја са недостатком воде, већ и да смањи зависност од традиционалне енергије, смањи потрошњу енергије и загађење животне средине.
Резултати овог истраживања ће дати значајан допринос решавању глобалног проблема недостатка слатководних ресурса и промовисати реализацију одрживог развоја.
За више информација о SINOYQX меламинској пени, контактирајте нас на [email protected] или нам пошаљите поруку: +86-28-8411-1861.
Неке слике и текстови су репродуковани са интернета, а ауторска права припадају оригиналном аутору. Ако постоји било какво кршење, контактирајте нас да га избришемо.