Сонячне міжфазне випаровування (SIE) вважається однією з найперспективніших технологій для пом'якшення дефіциту прісної води завдяки своїй здатності ефективно використовувати сонячну енергію для виробництва прісної води. Крім того, сонячні випарники мають унікальні переваги в очищенні концентрованих солоних стічних вод . Процес випаровування утворює лише кристали солі як побічний продукт, таким чином досягаючи нульового скидання рідини. Однак накопичення солі у випарнику перешкоджатиме поглинанню світла та впливатиме на вихід пари, що зрештою призведе до зниження продуктивності випаровування випарника або навіть до його виходу з ладу.
Щоб полегшити цю проблему, деякі дослідники запропонували стратегію «циркуляції солі». Тобто циркуляційний шлях розроблено для розчину, щоб дозволити іонам солі текти назад у розсіл, тим самим запобігаючи кристалізації солі на поверхні випаровування, таким чином досягаючи безперервного та стабільного випаровування. Однак цей метод призведе до підвищення солоності розчину, а проблема кристалізації солі все ще неминуча.
Інше рішення – стратегія «висолювання». Тобто структура регулюється таким чином, щоб сіль переважно кристалізувалась у зоні, де немає випаровування, таким чином зменшуючи вплив кристалізації солі на ефективність випаровування, таким чином досягаючи одночасного збору солі та прісної води. Однак стратегія «висолювання» все ще стикається з серйозними проблемами в практичному застосуванні.
По-перше, одновимірний транспорт розсолу обмежує абсорбційну здатність, значно знижуючи загальну швидкість випаровування. По-друге, стратегія кристалізації солі вимагає регулярного видалення кристалів солі, які важко автоматично відпасти від поверхні випарника через їх сильне зчеплення. Якщо вчасно не видалити відкладену сіль, продуктивність випаровування неминуче знизиться. Крім того, для багатьох високоефективних сонячних випарників потрібні небезпечні або трудомісткі процеси підготовки, такі як термічна обробка високим тиском, низьким вакуумом або високою температурою.
Тому розробка довговічного сонячного випарника для досягнення довгострокового, ефективного та стабільного випаровування води та збору солі за допомогою простого процесу підготовки до опріснення з нульовим викидом рідини є недосягнутою науковою метою.
Виходячи з вищезазначених проблем, дослідницька група Першого медичного університету Шаньдуна підготувала тривимірний градієнтний графеновий спіральний аерогелевий випарник, який може досягти ефективного сонячного випаровування солоної води з високою концентрацією та досягнення нульового викиду рідини.
Щоб задовольнити суворі вимоги до сонячних випарників щодо ефективного поглинання сонячної енергії, повного використання енергії, чудової стійкості до солі та довгострокової стабільності, дизайн проекту головним чином зосереджений на наступних чотирьох ключових моментах:
Зосередьтеся на структурному дизайні та підвищенні хімічної стабільності
Випарник повинен мати міцну сітчасту структуру та хімічну стабільність, що є вирішальним для досягнення довгострокового, ефективного та стабільного сонячного опріснення. Тому вони обрали недорогий, супергідрофільний, високопористий та високоеластичний меламіновий пінопласт як несучий каркас сонячного випарника.
Потім вони вивчили механічні властивості графенових аерогелів з меламіновою піною як скелетом у кількох режимах, включаючи стиснення, вигин і розтяг, щоб всебічно оцінити їхні механічні властивості.
Для подальшої перевірки його міцності та довговічності в реальних умовах застосування дослідницька група провела випробування в різних екстремальних умовах.
Зокрема, вони неодноразово згинали зразок 20 разів у повітрі та воді, замочували його в кислих та лужних розчинах , а також поміщали в суворі умови, такі як висока температура та ультразвукове перемішування.
Після цих суворих випробувань вони не виявили значних змін у зовнішньому вигляді та мікроструктурі зразка, що повністю продемонструвало його чудову міцність і структурну стабільність.
Орієнтація на спрощення та економічне вдосконалення виробничих процесів
Щоб досягти простоти та економії процесу виготовлення випарника та уникнути використання дорогого обладнання, вони розробили такі етапи підготовки:
Перший етап - гаряче пресування
Використовуючи технологію гарячого пресування, дослідницька група стиснула меламінову піну різної товщини, щоб отримати попередньо спресовану плівку меламіну товщиною 1 мм.
Під час цього процесу, зі збільшенням співвідношення початкової товщини зразка до кінцевої товщини стиснутого матеріалу, розмір пор попередньо пресованої меламінової плівки точно регулюється від 150 мкм до 20 мкм , утворюючи унікальну тривимірну градієнтну сітчасту структуру.
Другий етап - поверхневе напилення
Використовуйте розпилювач, щоб рівномірно розпорошити суспензію оксиду графену на поверхню попередньо пресованої меламінової плівки . Було досягнуто рівномірного розподілу оксиду графену в плівці, що заклало основу для подальшого сонячного відновлення.
Третій етап - сушка при атмосферному тиску
Після розпилення плівку помістили прямо на повітря для природного висихання. Цей етап дозволяє уникнути складних, трудомістких та енерговитратних процесів підготовки, таких як сублімаційне сушіння, надкритичне сушіння та заміна розчинника.
Четвертий крок - зменшення сонячного світла
Тобто використання лупи для фокусування сонячного світла на зразку. Під дією ультрафіолетових променів колір поверхні зразка швидко змінюється з коричневого на чорний, що свідчить про успішне відновлення оксиду графену до відновленого оксиду графену.
Цей метод сонячного відновлення не тільки простий у експлуатації та безпечний для навколишнього середовища, але також не вимагає використання хімічних відновників або високотемпературних процесів термічного відновлення, що значно знижує виробничі витрати та забруднення навколишнього середовища.
Зосередьтеся на ефективному поглинанні сонячної енергії та мінімізації втрат енергії
Сонячні випарники повинні не тільки поглинати і перетворювати широкий спектр сонячної енергії в теплову енергію, але також мінімізувати втрати енергії, викликані дифузним відображенням і тепловим випромінюванням, і вловлювати додаткову енергію з навколишнього середовища. Процес випаровування на сонячній поверхні контролюється трьома потоками енергії: надходження сонячної енергії, вихід енергії випаровування та енергія, що розсіюється в навколишнє середовище.
На жаль, звичайні двовимірні сонячні випарники стикаються з проблемами розсіювання енергії через теплообмін із навколишнім середовищем, що ускладнює досягнення ідеальної 100% ефективності перетворення сонячної енергії на пару. Навпаки, тривимірні сонячні випарники можуть порушити теоретичну межу ефективності перетворення сонячної енергії на пару.
Щоб зменшити втрати енергії, викликані дифузним відображенням і тепловим випромінюванням на верхній поверхні тривимірного зразка, команда розробила тривимірний спіральний увігнутий графеновий аерогель.
Ця структура не тільки має вищий коефіцієнт поглинання та нижчу відбивну здатність, але її бічні стінки також здатні поглинати тепло навколишнього середовища та тепло, дифузно відображене від дна, таким чином забезпечуючи ефективну рекуперацію енергії.
Зосередьтеся на оптимізації стійкості до солі та управлінні кристалізацією солі
Тобто; за рахунок проектування унікального транспортного каналу сприяє радіальному транспорту розсолу, що призводить до спрямованої кристалізації солі. Ця конструкція не тільки ефективно запобігає відкладенню та засміченню солі на поверхні випарника, але й реалізує ефективний збір та утилізацію солі, таким чином значно підвищуючи ефективність та стабільність процесу опріснення.
Зокрема, вони розробили та підготували тривимірну градієнтну графенову мережеву структуру на основі попередньо пресованої пористої меламінової плівки . Ця градієнтна графенова мережа, яка є розрідженою всередині та щільною зовні, може утворювати різницю радіальних капілярних сил, що сприяє радіальному транспортуванню розсолу. Оскільки пара продовжує генеруватися, радіальний потік розсолу збільшує концентрацію розсолу в області зовнішньої поверхні, що призводить до спрямованої кристалізації солі на зовнішній поверхні, а не на внутрішній. Така конструкція гарантує, що внутрішня поверхня випарника підтримує достатню площу випаровування, тим самим досягаючи ефективного та стабільного сонячного випаровування.
Варто зазначити, що випарник використовує всю свою зовнішню поверхню для кристалізації солі, що робить площу кристалізації набагато більшою, ніж інші випарники спрямованої кристалізації.
Кристали солі в основному складаються з нещільно упакованих кристалів солі з великою кількістю пор, які є корисними для транспортування розсолу та виділення пари.
Крім того, через ефект охолодження через випаровування температура поверхні шару солі нижча, ніж температура навколишнього середовища. Ця характеристика дозволяє випарнику поглинати більше енергії з навколишнього середовища, ще більше покращуючи ефективність випаровування.
Джерело статті: Deep Tech
Дослідницька група: дослідницька група Першого медичного університету Шаньдуна
Цитата статті взята з: https://www.163.com/dy/article/J1RENDEH05119734.html
Щоб отримати додаткову інформацію про меламінову піну SINOYQX, зв’яжіться з нами за адресою [email protected] або зателефонуйте нам за номером +86-28-8411-1861.
Деякі зображення та тексти відтворено з Інтернету, і авторські права належать оригінальному автору. Якщо є порушення, зв’яжіться з нами, щоб видалити.