Saules atsāļošanai kā ilgtspējīgam ūdens resursu izmantošanas veidam ir liels potenciāls, lai atrisinātu nepietiekamu saldūdens resursu problēmu un mazinātu ūdens trūkumu. Tomēr tradicionālajai jūras ūdens atsāļošanas tehnoloģijai bieži ir tādas problēmas kā liels enerģijas patēriņš, sarežģītas iekārtas un augstas izmaksas.
Pēdējos gados pētnieku uzmanību pamazām ir piesaistījušas jaunas atsāļošanas pārklājumu tehnoloģijas, kuru pamatā ir nanomateriāli. Grafēna oksīda reducētais grafēns kā jauns divdimensiju materiāls ir parādījis ievērojamu potenciālu saules atsāļošanā.
Salīdzinot ar tradicionālajiem atsāļošanas pārklājuma materiāliem, rGO ir lieliska vadītspēja, augsts īpatnējais virsmas laukums un laba ķīmiskā stabilitāte, un ir paredzams, ka tas uzlabos atsāļošanas efektivitāti un samazinās enerģijas patēriņu.
Tomēr pašam rGO ir agregācijas un nogulsnēšanās problēmas, kas samazina tā aktivitāti un stabilitāti. Tāpēc rGO piestiprināšana pie putu materiāliem, veidojot melamīna putu /rGO kompozītpārklājumu, ir kļuvusi par efektīvu veidu, kā uzlabot atsāļošanas efektivitāti un stabilitāti.
Pārveidojot virsmu un stiprinot putu materiāla nesošās īpašības, mēs vienmērīgi fiksējām rGO uz putu virsmas, lai palielinātu tā saskares laukumu ar sāls joniem ūdenī. Tajā pašā laikā tiek kontrolēta rGO pārklājuma struktūra un biezums, lai optimizētu atsāļošanas efektivitāti un stabilitāti.
Lai iegūtu dziļāku izpratni par atsāļošanas mehānismu, mēs sagatavojām arī reducēta grafēna oksīda (rGO) putas. Ar grafēna trioksīdu pārklātajām melamīna putām ir raksturīga poraina mikrostruktūra un hidrofilitāte, kas nodrošina labu mitrināmību un var piesaistīt ūdeni iztvaikošanas zonai, ļaujot ūdenim ātri papildināt, vienlaikus izvairoties no sāls nogulsnēšanās.
Ar grafēna oksīdu pārklātu melamīna putu saskarnes iztvaikošanas sistēma var sasniegt līdzsvara stāvokļa iztvaikošanas efektivitāti 89.6% zem 1 kW m-2 saules enerģijas. Šai saskarnes iztvaikošanas sistēmai ir augsta saules enerģijas pārveidošanas efektivitāte un laba ilgtermiņa stabilitāte, kas parāda komerciālas jūras ūdens atsāļošanas iespējas.
Šobrīd globālā enerģētikas krīze un ūdens trūkums ir kļuvuši par galvenajiem draudiem cilvēku sabiedrības ilgtspējīgai attīstībai. Lai apmierinātu pieaugošo enerģijas pieprasījumu, arvien lielāka uzmanība tiek pievērsta dažādu augstas veiktspējas enerģijas pārveidošanas un ūdens attīrīšanas tehnoloģiju attīstībai.
Ar saules enerģiju darbināma saskarnes iztvaikošanas tehnoloģija
Saules enerģija ir daudzsološs atjaunojamās enerģijas avots, pateicoties tās īpaši lielajai jaudai, universālumam, tīrībai un daudzfunkcionālajām pārveidošanas iespējām. Tas ir parādījis potenciālu aizstāt saglabāto fosilo kurināmo ar fosilo kurināmo.
Papildus saules fotoelementu tehnoloģijai, kas tieši ražo elektroenerģiju, saules siltumenerģijas pārveidošanas tehnoloģija arī absorbē saules enerģiju un pārvērš to siltumenerģijā, kas tiek uzskatīta par vienkāršu un efektīvu saules enerģijas izmantošanas veidu.
No saules enerģijas pārveidotā siltumenerģija var vadīt svarīgus rūpnieciskos procesus, piemēram, saules termoelektrostacijas, saules enerģijas atsāļošanu, sterilizāciju, saules ūdens sildīšanas sistēmas un citus ar siltumu saistītus lietojumus. Saules atsāļošana piedāvā efektīvu risinājumu, īpaši apgabaliem, kur trūkst infrastruktūras, jo tā var iegūt svaigu ūdeni no jūras ūdens bez papildu enerģijas ievades.
Pēdējos gados ar saules enerģiju darbināmā saskarnes iztvaikošanas tehnoloģija nosaka saules siltuma pārveides procesu šķidruma un tvaika saskarnē un ir kļuvusi par jaunu saules enerģijas izmantošanas tehnoloģiju. Salīdzinot ar tradicionālo integrēto apkuri, saskarnes iztvaikošanas sistēmām ir augstāka iztvaikošanas efektivitāte un ātrāka termiskā reakcija, un tās ir potenciāla alternatīva jūras ūdens atsāļošanai.
Līdz šim ir veikti daudzi pētījumi par saskarnes iztvaikošanas sistēmu termiskās veiktspējas uzlabošanu. Tipiska ar saules enerģiju darbināma saskarnes iztvaikošanas sistēma sastāv no trim svarīgām daļām:
Saules absorbētājs ar augstu saules absorbciju un efektīvi pārvērš saules starojumu siltumenerģijā; izolators, kas nodod pārveidoto siltumu lielajam ūdenim; un ūdens padeves ceļš, kas nepārtraukti velk ūdeni no kopējā ūdens uz saules absorbētāja virsmu.
Iepriekšējos pētījumos liels skaits pētnieku ir veltījuši sevi saules enerģijas tvaika pārveidošanas efektivitātes uzlabošanai, sintezējot platjoslas un saules enerģiju absorbējošus materiālus, optimizējot jaunu ūdensapgādes ceļu projektēšanu un uzlabojot siltumizolācijas konstrukcijas.
Līdz šim ar saules enerģiju darbināmas saskarnes iztvaikošanas sistēmas ir izmantotas daudzos rūpnieciskos procesos, inducētā saules enerģijas destilācijā, saules sterilizācijā, saules atsāļošanā un saules enerģijas ražošanā. Lai panāktu augstu sistēmas iztvaikošanas veiktspēju, ir svarīgi izpētīt platjoslas absorbciju visā saules enerģiju absorbējošo materiālu saules spektrā.
Saules enerģiju absorbējošie materiāli, kas izstrādāti un izpētīti ar saules enerģiju darbināmās saskarnes iztvaikošanas sistēmās, galvenokārt ietver oglekli saturošus materiālus, plazmoniskās daļiņas un spektrāli selektīvus absorbējošus materiālus. Tostarp dabīgiem melniem un oglekli saturošiem materiāliem ir spēcīgas saules siltuma pārveidošanas iespējas, un tie ir piemēroti platjoslas un augstas intensitātes saules absorbētājiem.
Pateicoties augstajam saules absorbcijas ātrumam, zemajām izmaksām un labajai stabilitātei, ir pētīti daudzi uz oglekli balstīti saules enerģijas absorbētāji, tostarp oglekļa nanocaurules, grafīts un reducēts grafēna oksīds. Pēc gadiem ilgas izstrādes sistēmas saules enerģijas pārveidošanas efektivitāte dienas gaismā ir sasniegusi vairāk nekā 90%.
Lai gan ir bijuši lieli uzlabojumi saules enerģiju absorbējošu materiālu izstrādē un saskarnes iztvaikošanas struktūru projektēšanā, lielākā daļa iepriekš ziņoto saules atsāļošanas ierīču bija saistītas ar sāls uzkrāšanos iztvaicētāja augšējā virsmā atsāļošanas procesa laikā. Uzkrātais sāls bloķē saules enerģijas absorbciju un bloķē poraino iztvaicētāju, kā rezultātā ir zema saules enerģijas pārveidošanas efektivitāte siltumā un slikta iztvaikošanas veiktspēja.
Uzkrāto sāļu noņemšanai parasti izmanto tradicionālās fizikālās metodes, piemēram, ultraskaņas viļņus un ūdens iegremdēšanu, taču šīs metodes var viegli sabojāt saskarnes iztvaikošanas struktūru.
Lai samazinātu sāls uzkrāšanos saskarnes iztvaikošanas sistēmās, daudzi pētījumi ir vērsti uz hidrofobās iztvaikošanas attīstību. Tomēr hidrofobie iztvaicētāji ierobežo ūdens padevi uz augšējo virsmu, tādējādi samazinot sistēmas iztvaikošanas veiktspēju. Vēl viens veids, kā atrisināt šo problēmu, ir izmantot hidrofilu iztvaicētāju, kas pārvieto lieko sāli no augšējās virsmas uz lielāko ūdeni.
Līdz šim daudzi pētījumi ir vērsti uz hidrofilu iztvaicētāju, piemēram, hidrofilu celulozes auduma membrānu, papīra hidrofilu membrānu un bioloģiski iedvesmotu iztvaicētāju projektēšanu. Taču ilgtermiņa stabilas un ļoti efektīvas, ar saules enerģiju darbināmas saskarnes iztvaikošanas sistēmas izstrāde joprojām ir nozīmīgs izaicinājums.
Šajā pētījumā mēs demonstrējam sāls izturīgas, ļoti efektīvas saules enerģiju absorbējošas un ātri termiski reaģējošas reducēta grafēna oksīda (rGO) putas saules vadītai saskarnes atsāļošanai zemas fluorescences saules apgaismojumā.
Jaunajā porainajā struktūrā par pamatu tika izvēlētas hidrofilas melamīna putas (MF) , kas ne tikai paplašina saules absorbcijas virsmas laukumu, bet arī uzlabo daudzkārtēju izkliedi.
Ar reducēto grafēna oksīdu pārklāto melamīna putu virsmas hidrofilitāte un porainība nodrošina pietiekamu saules siltuma konversijas zonas mitrināšanu un saplūšanu, kā arī ātru ūdens papildināšanu, vienlaikus izvairoties no sāļu uzkrāšanās.
Izmantojot reducētā grafēna oksīda pārklājumu melamīna putu augsto veiktspēju, ar saules enerģiju darbināmā saskarnes sistēma spēj nodrošināt saules enerģijas pārvēršanas tvaiku likmi 89.6%.
Turklāt, integrējot ar reducētu grafēna oksīdu pārklātas melamīna putas komerciālā saules enerģijā, mēs izstrādājām un izgatavojām ar saules enerģiju darbināmu saskarnes jūras ūdens atsāļošanas ierīci ar saules enerģijas pārveidošanas efektivitāti 56.4% dienasgaismā. Saules atsāļošanas dēļ savāktajam tīrajam ūdenim ir dzeramās kvalitātes prasības.
Ar izcilu iztvaikošanas veiktspēju un saules enerģijas pārveidošanas materiālu mērogojamību, šī sistēma ar saules enerģiju darbināmai saskarnes jūras ūdens atsāļošanai piedāvā plašas pielietojuma iespējas jūras ūdens atsāļošanas praktiskajā pielietojumā.
Saules atsāļošanas siltuma pārneses materiālu mērogojamība
Interfeisa iztvaicēšanas sistēma, kuras pamatā ir melamīna putas, kas pārklātas ar reducētu grafēna oksīdu. Ar ter grafēna oksīdu pārklātas melamīna putas atrodas vidū, un tās ārpusē iesaiņo polietilēna (PE) putu slānis, lai izveidotu pašburbuļojošu saskarnes iztvaikošanas sistēmu.
Melamīna putas, kas pārklātas ar grafēna oksīdu ar samazinātu telūru, tiek izmantotas, lai ātri absorbētu krītošo saules starojumu, pārvērstu saules enerģiju siltumā un radītu dzinējspēku saskarsmes iztvaikošanai. No otras puses, hidrofilās reducētās grafēna oksīda pārklājuma melamīna putas var nepārtraukti ievilkt sālījumu iztvaikošanas zonā.
Ar grafēna trioksīdu pārklāto melamīna putu porainā struktūra ļauj radītajiem tvaikiem izkļūt vidē, veicinot saules gaismas uztveršanu un tādējādi palielinot saules enerģijas pārveidošanas efektivitāti siltumā. Ar reducētu grafēna oksīdu pārklātās melamīna putas ir porainas un hidrofilas, ļaujot tām ievilkt ūdeni iepriekš aprakstītajā iztvaikošanas struktūrā, vienlaikus sadalot koncentrētos sāļus atpakaļ lielajā jūras ūdenī.
Iztvaikošanas procesā sāls koncentrācija putās ir augstāka nekā jūras ūdens koncentrācija apakšā. Koncentrācijas izmaiņas izraisa sāls sadalīšanos ūdens pamatnē. Turklāt apkārtējās polietilēna putas ne tikai samazina ar grafēna oksīdu pārklātās melamīna putas , bet arī dabiski uzkrājas uz ūdens virsmas, novēršot apkārtējā sālsūdens radītos siltuma zudumus.
Saskarnes iztvaikošanas sistēmas var nepārtraukti un efektīvi darboties uz ūdens virsmām bez nepieciešamības pēc sarežģītām konstrukcijām. Turklāt, tā kā iztvaikošana notiek gāzes un šķidruma saskarnē, saskarnes iztvaikošanas sistēma var pārvietoties autonomi, kad saskarne atkāpjas.
Ar telūru reducētās grafēna oksīda pārklājumu melamīna putas ir galvenā saskarnes iztvaikošanas sistēmas sastāvdaļa. Melamīna putas tika iegremdētas grafēna oksīda koloidālajā suspensijā, lai sagatavotu ar reducētu grafēna oksīdu pārklātas melamīna putas, un pēc tam grafēna oksīds tika reducēts par reducētu grafamīna oksīdu, izmantojot hidrotermālo metodi.
Ar reducētu grafēna oksīdu pārklātas melamīna putas, kuru diametrs ir 3.5 cm un biezums 1.6 cm, ir viegli izgatavojamas, un to krāsa ir tumši melna.
Reducētā grafēna oksīda pārklājuma melamīna putu materiāla virsmas raupjums, kas novērots, izmantojot trīsdimensiju optisko mikroskopu, uzrādīja augstuma izmaiņas, kas pārsniedz 300 μm. Saules termiskās konversijas kompozītu raupjā virsmas struktūra galvenokārt ir saistīta ar melamīna putu poraino struktūru, un modificētais reducētais grafēna oksīds arī palielina virsmas raupjumu.
Virsmas raupjums pastiprina saules absorbcijas virsmas laukumu, vienlaikus palielinot krītošās saules gaismas daudzkārtēju izkliedi, tādējādi uzlabojot sistēmas saules enerģijas pārveidošanas efektivitāti siltumā. Sagatavoto melamīna putu mikrostruktūra dažādos palielinājumos. Ar grafēna oksīdu pārklātajai melamīna putu virsmai ir saburzīta un savstarpēji savienota tīkla struktūra.
Ar rGO pārklātu melamīna putu poru izmērs ir no 20 līdz 40 μm. Atvērtā poru struktūra un grumbaina virsma atvieglo grafēna oksīda nogulsnēšanos. Ar reducētu grafēna oksīdu pārklātajām melamīna putām ir laba ūdens mitrināmība, pateicoties poraino melamīna putu hidrofilitātei.
Kad ūdens piliens pieskaras reducētā grafēna oksīda pārklājuma melamīna putu virsmai, tas pilnībā uzsūcas 0.5 sekunžu laikā. Reducētā grafēna oksīda kompozītu hidrofilā virsma var ātri vadīt drenāžu porainajā struktūrā. Ar reducētu grafēna oksīdu pārklātu melamīna putu porainību noteica, salīdzinot masas izmaiņas pirms un pēc ūdens absorbcijas.
Ar grafēna oksīdu pārklātu melamīna putu porainība var sasniegt 85.55%. Saules enerģijas absorbcija ar samazinātu grafēna oksīdu pārklātu melamīna putu palīdzību tieši ietekmē sistēmas saules enerģijas pārveidošanas efektivitāti siltumā. Lai novērtētu sāls izturību, ar reducētu grafēna oksīdu pārklātas melamīna putas tika ievietotas nātrija hlorīda šķīdumā (3.5, XNUMX masas%).
Pēc tam uz augšējās virsmas tika novietoti 3 g cieta nātrija hlorīda, un ar Tergo pārklātās melamīna putas tika novietotas ar saules blīvumu 1 kW m-2. Cietā sāls daudzums pakāpeniski izšķīst pēc 120 minūtēm.
Kad saules gaisma apspīd ar rGO pārklāto melamīna putu virsmu , ar rGO pārklāto melamīna putu temperatūra dažu minūšu laikā strauji paaugstinās un visā iztvaikošanas procesā saglabājas 35 °C. Tā kā sāls šķīdība ir atkarīga no temperatūras, jo augstāka temperatūra, jo ātrāk sāls izšķīst un tāpēc sāls dzelzs var atkārtoti izšķīdināt virszemes ūdenī.
Ar samazinātu grafēna oksīdu pārklātās melamīna putās, kurām ir daudz poru ar augstu ūdens absorbcijas spēju, kas var nodrošināt nepārtrauktu ūdens padevi augšējai virsmai, sāļi var pārvietoties no augšējās virsmas uz ūdens apakšslāni. Temperatūras izmaiņas izraisa sāļuma izmaiņas starp augšējo iztvaikošanas virsmu un ķermeni.
Lai iegūtu platjoslas un efektīvu saules enerģijas absorbciju, melamīna putas tika modificētas ar porainām hidrofilām melamīna putām, tādējādi palielinot saules absorbcijas virsmas laukumu un palielinot daudzkārtējo izkliedi.
Saules saskarnes iztvaikošanas sistēma, kuras pamatā ir ar rGO pārklātas melamīna putas, uzrāda ātru termisko reakciju pie saules enerģijas blīvuma 1 kW m-2, panākot līdzsvara stāvokļa saules termiskās pārveidošanas efektivitāti 89.6%.
Visbeidzot, mēs integrējām ar reducētu grafēna oksīdu pārklātu melamīna putu iztvaicētāju saules destilētājā, kas var ražot 56.4, 1% dzeramā ūdens ar sāls uzkrāšanos pie 2 kW m-XNUMX.
Mēs domājam, ka šo ar saules enerģiju darbināmo saskarnes atsāļošanas ierīci varētu izmantot izolētās salās vai okeānā, lai savāktu dzeramo ūdeni no bagātīgiem jūras ūdens vai citiem sālsūdens resursiem.
Secinājumi
Atsāļošanas rGO pārklājuma melamīna putām kā inovatīvai un efektīvai saules enerģijas atsāļošanas tehnoloģijai ir liels potenciāls un pielietojuma perspektīvas. Tas var ne tikai nodrošināt uzticamus saldūdens resursus apgabalos, kuros trūkst ūdens, bet arī samazināt atkarību no tradicionālās enerģijas, samazināt enerģijas patēriņu un vides piesārņojumu.
Šī pētījuma rezultāti sniegs nozīmīgu ieguldījumu globālās saldūdens resursu trūkuma problēmas risināšanā un veicinās ilgtspējīgas attīstības realizāciju.
Lai iegūtu plašāku informāciju par SINOYQX melamīna putām, lūdzu, sazinieties ar mums pa e-pastu [email protected] vai pa tālruni: +86-28-8411-1861.
Daži attēli un teksti ir reproducēti no interneta, un autortiesības pieder sākotnējam autoram. Ja ir kāds pārkāpums, lūdzu, sazinieties ar mums, lai dzēstu.