Як стійкий спосіб використання водних ресурсів сонячне опріснення має великий потенціал для вирішення проблеми недостатніх ресурсів прісної води та пом’якшення нестачі води. Однак традиційна технологія опріснення морської води часто має такі проблеми, як високе споживання енергії, складне обладнання та висока вартість.
В останні роки нові технології опріснювальних покриттів на основі наноматеріалів поступово привертають увагу дослідників. Графен, відновлений оксидом графену, як новий двовимірний матеріал, продемонстрував значний потенціал для сонячного опріснення.
У порівнянні з традиційними матеріалами опріснювального покриття rGO має такі переваги, як чудова провідність, висока питома поверхня та хороша хімічна стабільність, і очікується, що він покращить ефективність опріснення та зменшить споживання енергії.
Однак, сам rGO має проблеми агрегації та осадження, що знижує його активність та стабільність. Тому фіксація rGO на піноматеріалах для формування композитного покриття з меламінової піни /rGO стало ефективним способом підвищення ефективності та стабільності опріснення.
Шляхом модифікації поверхні та посилення несучих властивостей спіненого матеріалу ми рівномірно закріпили rGO на поверхні піни, щоб збільшити її площу контакту з іонами солі у воді. У той же час структура і товщина покриття rGO контролюються для оптимізації ефективності та стабільності опріснення.
Щоб отримати глибше розуміння механізму опріснення, ми також підготували піну з відновленого оксиду графену (rGO). Меламінова піна, покрита триоксидом графену, має властиву пористу мікроструктуру та гідрофільність, що дозволяє їй мати хорошу змочуваність і може залучати воду до зони випаровування, дозволяючи воді швидко поповнюватися, уникаючи випадання солі.
Система міжфазного випаровування меламінової піни, покритої оксидом графену, може досягти стаціонарної ефективності випаровування 89.6% за сонячного палива потужністю 1 кВт м−2. Ця система міжфазного випаровування має високу ефективність перетворення сонячної енергії в тепло і хорошу довгострокову стабільність, демонструючи потенціал для комерційного опріснення морської води.
Зараз глобальна енергетична криза та дефіцит води стали головними загрозами для сталого розвитку людського суспільства. Щоб задовольнити зростаючий попит на енергію, все більше уваги приділяється розробці різних високоефективних технологій перетворення енергії та очищення води.
Технологія міжфазного випаровування на сонячних батареях
Сонячна енергія як перспективне джерело відновлюваної енергії завдяки своїй надвеликій потужності, універсальності, чистоті та багатофункціональним можливостям перетворення. Він продемонстрував потенціал для заміни викопного палива, що зберігається викопним паливом.
Окрім сонячної фотоелектричної технології, яка безпосередньо генерує електричну енергію, технологія перетворення сонячної енергії також поглинає сонячну енергію та перетворює її на теплову, що вважається простим і ефективним способом використання сонячної енергії.
Теплова енергія, перетворена з сонячної енергії, може керувати важливими промисловими процесами, такими як сонячні теплові електростанції, сонячне опріснення, стерилізація, сонячні системи підігріву води та інші програми, пов’язані з теплом. Сонячне опріснення є ефективним рішенням, особливо для районів, де немає інфраструктури, оскільки воно може добувати прісну воду з морської води без додаткових витрат енергії.
В останні роки технологія міжфазного випаровування, керована сонячними променями, розміщує процес перетворення сонячного тепла на межі розділу рідина-пар і стала новою технологією використання сонячної енергії. У порівнянні з традиційним інтегральним нагріванням системи міжфазного випаровування демонструють вищу ефективність випаровування та швидшу теплову реакцію та є потенційною альтернативою для опріснення морської води.
До цього часу було проведено багато досліджень щодо покращення теплових характеристик міжфазних систем випаровування. Типова міжфазна система випаровування, що працює на сонячних батареях, складається з трьох важливих частин:
Сонячний поглинач з високим сонячним поглинанням і ефективно перетворює сонячне випромінювання в теплову енергію; ізолятор, який передає перетворене тепло до основної води; і шлях подачі води, який безперервно витягує воду з основної води на поверхню сонячного абсорбера.
У попередніх дослідженнях велика кількість дослідників присвятила себе підвищенню загальної ефективності перетворення сонячної енергії на пару шляхом синтезу широкосмугових та поглинаючих сонячну енергію матеріалів, оптимізації проектування нових шляхів водопостачання та вдосконалення теплоізоляційних конструкцій.
Дотепер системи міжфазного випаровування, що керуються сонячними променями, використовувались у багатьох промислових процесах, індукованій сонячній дистиляції, сонячній стерилізації, сонячному опрісненні та виробництві сонячної енергії. Щоб досягти високої ефективності випаровування системи, важливо досліджувати широкосмугове поглинання в сонячному спектрі матеріалів, що поглинають сонце.
Матеріали, що поглинають сонячну енергію, розроблені та досліджені в системах міжфазного випаровування, що керуються сонячною енергією, в основному включають вуглецеві матеріали, плазмонні частинки та спектрально селективні поглинаючі матеріали. Серед них природні чорні та вуглецеві матеріали мають сильну здатність перетворювати сонячне тепло та підходять для широкосмугових та високоінтенсивних сонячних поглиначів.
Завдяки високій швидкості сонячного поглинання, низькій вартості та хорошій стабільності було вивчено багато вуглецевих сонячних поглиначів, включаючи вуглецеві нанотрубки, графіт і відновлений оксид графену. Після багатьох років розробки ефективність перетворення сонячної енергії на пару за денного світла досягла понад 90%.
Хоча були досягнуті значні покращення в розробці матеріалів, що поглинають сонячну енергію, і проектуванні міжфазних структур випаровування, більшість раніше зареєстрованих сонячних пристроїв опріснення були пов’язані з накопиченням солі на верхній поверхні випарника під час процесу опріснення. Накопичена сіль блокує поглинання сонячної енергії та блокує пористий випарник, що призводить до низької ефективності перетворення сонячної енергії на тепло та низької ефективності випаровування.
Традиційні фізичні методи, такі як ультразвукові хвилі та занурення у воду, як правило, використовуються для видалення накопичених солей, але ці методи можуть легко спричинити пошкодження структури випаровування поверхні розділу.
Щоб зменшити накопичення солі в міжфазних системах випаровування, багато досліджень зосереджено на розвитку гідрофобного випаровування. Однак гідрофобні випарники обмежують подачу води на верхню поверхню, тим самим знижуючи ефективність випаровування системи. Інший спосіб вирішення цієї проблеми - використання гідрофільного випарника, який переміщує надлишок солі з верхньої поверхні в основну воду.
На сьогодні багато досліджень зосереджено на розробці гідрофільних випарників, таких як мембрани з гідрофільної целюлозної тканини, паперові гідрофільні мембрани та біовипарники. Але розробка довгострокової стабільної та високоефективної міжфазної системи випаровування, що керується сонячними променями, залишається серйозною проблемою.
У цьому дослідженні ми демонструємо стійку до впливу солі, високоефективну, що поглинає сонячне світло, і швидко реагує на термічну реакцію піну з відновленого оксиду графену (rGO) для міжфазного опріснення за допомогою сонячної енергії під сонячним освітленням із низькою флуоресценцією.
У новій пористій структурі за основу було обрано гідрофільну меламінову піну (МП) , яка не тільки розширює площу поверхні для поглинання сонячного випромінювання, але й посилює багаторазове розсіювання.
Гідрофільність поверхні та пористість меламінової піни з відновленим покриттям із оксиду графену забезпечують достатнє зволоження та плавлення зони перетворення сонячного тепла, а також швидке поповнення води, уникаючи при цьому накопичення солей.
Використовуючи переваги високої продуктивності меламінової піни з відновленим покриттям з оксиду графену, міжфазна система на сонячних батареях здатна забезпечити коефіцієнт перетворення сонячної енергії на пару 89.6%.
Крім того, шляхом інтеграції меламінової піни з відновленим покриттям з оксиду графену в комерційну сонячну енергію ми розробили та виготовили пристрій для міжфазного опріснення морської води з сонячним приводом з ефективністю перетворення сонячної енергії у воду 56.4% при денному світлі. Завдяки сонячному опрісненню зібрана чиста вода відповідає вимогам питної якості.
Завдяки чудовій продуктивності випаровування та масштабованості матеріалів для перетворення сонячної енергії на теплову, ця система для міжфазного опріснення морської води за допомогою сонячної енергії має широкі перспективи практичного застосування опріснення морської води.
Масштабність матеріалів теплопередачі сонячного опріснення
Система міжфазного випаровування на основі меламінової піни, покритої відновленим оксидом графену. Меламінова піна, покрита оксидом терграфену, знаходиться в середині та загорнута шаром поліетиленової (PE) піни з зовнішньої сторони для створення міжфазної системи випаровування, що складається з бульбашок.
Меламінова піна, покрита оксидом графену зі зниженим вмістом телуру, використовується для швидкого поглинання падаючого сонячного випромінювання, перетворення сонячної енергії в тепло та створення рушійної сили для випаровування на поверхні поверхні. З іншого боку, гідрофільна меламінова піна, покрита оксидом графену, може постійно втягувати розсіл у зону випаровування.
Пориста структура меламінової піни, покритої триоксидом графену, дозволяє утвореній парі виходити в навколишнє середовище, сприяючи захопленню сонячного світла та таким чином підвищуючи ефективність перетворення сонячної енергії в тепло. Меламінова піна, покрита відновленим оксидом графену, є пористою та гідрофільною, що дозволяє їй втягувати воду в структуру випаровування, описану вище, одночасно розщеплюючи концентровані солі назад в основну морську воду.
Під час процесу випаровування концентрація солі в піні вища, ніж концентрація морської води на дні. Зміни концентрації призводять до розпаду солі на основну масу води. Крім того, навколишня поліетиленова піна не тільки зменшує піну меламіну , покриту оксидом графену , але й природним чином накопичується на поверхні води, запобігаючи втратам тепла, спричиненим навколишньою солоною водою.
Інтерфейсні системи випаровування можуть безперервно й ефективно працювати на водних поверхнях без необхідності складних конструкцій. Крім того, оскільки випаровування відбувається на межі розділу газ-рідина, система міжфазного випаровування може рухатися автономно, коли межа розділу відступає.
Меламінова піна, покрита оксидом графену зі зниженим вмістом телуру, є ключовим компонентом міжфазної системи випаровування. Меламінова піна була занурена в колоїдну суспензію оксиду графену, щоб отримати меламінову піну, покриту відновленим оксидом графену, а потім оксид графену відновили до відновленого оксиду графену за допомогою гідротермального методу.
Меламінову піну, покриту відновленим оксидом графену, діаметром 3.5 см і товщиною 1.6 см легко виготовити, її колір насичений чорний.
Шорсткість поверхні вкритого відновленим оксидом графену меламінового піноматеріалу, яка спостерігалася за допомогою тривимірного оптичного мікроскопа, показала зміну висоти понад 300 мкм. Шорстка поверхнева структура композитів для сонячної термічної конверсії в основному пояснюється пористою структурою меламінової піни, а модифікований відновлений оксид графену також збільшує шорсткість поверхні.
Шорсткість поверхні збільшує площу поверхні поглинання сонця, одночасно збільшуючи багаторазове розсіювання падаючого сонячного світла, таким чином покращуючи ефективність перетворення сонячної енергії в теплову систему. Мікроструктура приготовленої меламінової піни при різних збільшеннях. Поверхня меламінової піни, покрита оксидом графену, демонструє зморшкувату та взаємопов’язану структуру мережі.
Розмір пор меламінової піни з покриттям rGO становить від 20 до 40 мкм. Відкрита структура пор і зморшкувата поверхня сприяють осадженню оксиду графену. Піна меламіну, покрита відновленим оксидом графену, має хорошу змочуваність водою завдяки гідрофільності пористої піни меламіну.
Як тільки крапля води торкнеться поверхні меламінової піни, покритої відновленим оксидом графену, вона повністю поглинеться протягом 0.5 секунди. Гідрофільна поверхня композитів із відновленим оксидом графену може швидко направляти дренаж у пористу структуру. Пористість меламінової піни, покритої відновленим оксидом графену, була визначена шляхом порівняння змін маси до та після поглинання води.
Пористість меламінової піни, покритої оксидом графену, може досягати 85.55%. Поглинання сонячної енергії меламіновою піною, покритою оксидом графену, безпосередньо впливає на ефективність перетворення сонячної енергії в теплову систему. Щоб оцінити стійкість до солі, піну меламіну, покриту відновленим оксидом графену, помістили в розчин хлориду натрію (3.5 мас.%).
Потім на верхню поверхню помістили 3 г твердого хлориду натрію та помістили меламінову піну з покриттям Tergo при сонячній щільності 1 кВт/м2. Кількість твердої солі поступово розчиняється через 120 хвилин.
Коли сонячне світло потрапляє на верхню поверхню меламінової піни з покриттям rGO , температура цієї піни швидко підвищується протягом кількох хвилин і залишається на рівні 35°C протягом усього процесу випаровування. Оскільки розчинність солі залежить від температури, чим вища температура, тим швидше сіль розчиняється, і тому сольове залізо може знову розчинитися у поверхневих водах.
У меламіновій піні, покритій відновленим оксидом графену, яка має численні пори з високою водопоглинаючою здатністю, що може забезпечити безперервну подачу води до верхньої поверхні, солі можуть переміщатися з верхньої поверхні до підшарку води. Зміни температури призводять до зміни солоності між верхньою поверхнею випаровування та тілом.
Для отримання широкосмугового та ефективного поглинання сонячної енергії меламінова піна була модифікована пористою гідрофільною меламіновою піною, таким чином збільшуючи площу поверхні поглинання сонячної енергії та збільшуючи багаторазове розсіювання.
Сонячна система міжфазного випаровування на основі меламінової піни з rGO-покриттям демонструє швидку теплову реакцію при щільності сонячної енергії 1 кВт м−2, досягаючи стаціонарної ефективності перетворення сонячної теплової енергії 89.6%.
Нарешті, ми інтегрували випарник меламінової піни з відновленим покриттям з оксиду графену в сонячний дистилятор, який може виробляти 56.4% питної води з накопиченням солі при 1 кВт м−2.
Ми передбачаємо, що цей міжфазний опріснювальний пристрій на сонячних батареях можна буде використовувати на ізольованих островах або в океані для збору питної води з надлишку морської води чи інших ресурсів солоної води.
Висновок
Опріснення Меламінова піна з покриттям rGO, як інноваційна та ефективна технологія сонячного опріснення, має великий потенціал і перспективи застосування. Він може не тільки забезпечити надійні ресурси прісної води для районів з дефіцитом води, але й зменшити залежність від традиційної енергії, зменшити споживання енергії та забруднення навколишнього середовища.
Результати цього дослідження зроблять важливий внесок у вирішення глобальної проблеми дефіциту ресурсів прісної води та сприятимуть реалізації сталого розвитку.
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.