Kestävänä tapana hyödyntää vesivaroja aurinkosuolanpoistolla on suuri potentiaali ratkaista makean veden riittämättömyyden ongelmaa ja lievittää vesipulaa. Perinteisessä meriveden suolanpoistotekniikassa on kuitenkin usein ongelmia, kuten korkea energiankulutus, monimutkaiset laitteet ja korkeat kustannukset.
Viime vuosina uudet, nanomateriaaleihin perustuvat suolanpoistopinnoitustekniikat ovat vähitellen herättäneet tutkijoiden huomiota. Grafeenioksidilla pelkistetty grafeeni uutena kaksiulotteisena materiaalina on osoittanut merkittävää potentiaalia aurinkoenergian suolanpoistossa.
Perinteisiin suolanpoistopinnoitusmateriaaleihin verrattuna rGO:n etuna on erinomainen johtavuus, suuri ominaispinta-ala ja hyvä kemiallinen stabiilisuus, ja sen odotetaan parantavan suolanpoistotehokkuutta ja vähentävän energiankulutusta.
rGO:lla itsellään on kuitenkin aggregaatio- ja kerrostumisongelmia, jotka heikentävät sen aktiivisuutta ja stabiilisuutta. Siksi rGO:n kiinnittäminen vaahtomateriaaleihin melamiinivaahto /rGO-komposiittipinnoitteen muodostamiseksi on tullut tehokkaaksi tavaksi parantaa suolanpoiston tehokkuutta ja stabiilisuutta.
Pintamodifikaatiolla ja vaahtomateriaalin kantajaominaisuuksia vahvistamalla kiinnitimme rGO tasaisesti vaahdon pintaan lisätäksemme sen kosketuspinta-alaa vedessä olevien suola-ionien kanssa. Samanaikaisesti rGO-pinnoitteen rakennetta ja paksuutta valvotaan suolanpoiston tehokkuuden ja stabiilisuuden optimoimiseksi.
Saadaksemme syvemmälle ymmärryksen suolanpoistomekanismista valmistimme myös pelkistetyn grafeenioksidin (rGO) vaahdon. Grafeenitrioksidilla päällystetyllä melamiinivaahdolla on luontainen huokoinen mikrorakenne ja hydrofiilisyys, minkä ansiosta sillä on hyvä kostuvuus ja se voi vetää vettä haihtumisalueelle, jolloin vettä voidaan täydentää nopeasti samalla, kun vältetään suolan saostuminen.
Grafeenioksidilla päällystetyn melamiinivaahdon rajapinnan haihdutusjärjestelmä voi saavuttaa 89.6 %:n tasaisen tilan haihdutustehokkuuden 1 kW m-2 aurinkopolttoaineella. Tällä rajapintojen haihdutusjärjestelmällä on korkea aurinkoenergian muunnosteho lämmöksi ja hyvä pitkän aikavälin stabiilisuus, mikä osoittaa potentiaalia kaupalliseen meriveden suolanpoistoon.
Tällä hetkellä globaalista energiakriisistä ja vesipulasta on tullut suuri uhka ihmisyhteiskunnan kestävälle kehitykselle. Kasvavaan energian kysyntään vastaamiseksi erilaisten korkean suorituskyvyn energian muunnos- ja vedenpuhdistustekniikoiden kehittämiseen on kiinnitetty yhä enemmän huomiota.
Aurinkoenergialla toimiva rajapinnan haihdutustekniikka
Lupaavana uusiutuvana energialähteenä aurinkoenergia johtuu sen erittäin suuresta kapasiteetista, universaalisuudesta, puhtaudesta ja monikäyttöisistä muunnosominaisuuksista. Se on osoittanut potentiaalin korvata fossiiliset polttoaineet fossiilisilla polttoaineilla.
Suoraan sähköenergiaa tuottavan aurinkosähköteknologian lisäksi aurinkolämpöenergian muunnostekniikka imee aurinkoenergiaa ja muuntaa sen lämpöenergiaksi, jota pidetään yksinkertaisena ja tehokkaana tapana hyödyntää aurinkoenergiaa.
Aurinkoenergiasta muunnetulla lämpöenergialla voidaan ohjata tärkeitä teollisia prosesseja, kuten aurinkolämpövoimaloita, aurinkoenergian suolanpoistoa, sterilointia, aurinkovesilämmitysjärjestelmiä ja muita lämpöön liittyviä sovelluksia. Aurinkoenergian suolanpoisto tarjoaa tehokkaan ratkaisun erityisesti alueilla, joilla ei ole infrastruktuuria, koska sillä voidaan ottaa makeaa vettä merivedestä ilman lisäenergian käyttöä.
Viime vuosina aurinkovoimalla toimiva rajapintojen haihdutustekniikka paikantaa auringon ja lämmön muunnosprosessin nestehöyryrajapinnalle ja siitä on tullut uusi aurinkoenergian hyödyntämistekniikka. Verrattuna perinteiseen kiinteään lämmitykseen, rajapinnan haihdutusjärjestelmillä on korkeampi haihdutustehokkuus ja nopeampi lämpövaste, ja ne ovat mahdollinen vaihtoehto meriveden suolanpoistoon.
Tähän mennessä on tehty monia tutkimuksia rajapintojen haihdutusjärjestelmien lämpösuorituskyvyn parantamisesta. Tyypillinen aurinkovoimalla toimiva rajapintojen haihdutusjärjestelmä koostuu kolmesta tärkeästä osasta:
Auringon absorboija, jolla on korkea auringon absorptio ja joka muuntaa tehokkaasti auringonsäteilyn lämpöenergiaksi; eriste, joka siirtää muunnetun lämmön bulkkiveteen; ja vedensyöttöreitti, joka vetää jatkuvasti vettä bulkkivedestä aurinkoabsorberin pinnalle.
Aiemmissa tutkimuksissa suuri joukko tutkijoita on omistautunut parantamaan aurinkoenergian höyryksi muuntamisen yleistä hyötysuhdetta syntetisoimalla laajakaistaisia ja aurinkoenergiaa absorboivia materiaaleja, optimoimalla uusien vesihuoltoreittien suunnittelua ja parantamalla lämmöneristysrakenteita.
Tähän mennessä aurinkokäyttöisiä rajapintojen haihdutusjärjestelmiä on käytetty monissa teollisissa prosesseissa, indusoidussa aurinkotislauksessa, aurinkosteriloinnissa, aurinkoenergian suolanpoistossa ja aurinkoenergian tuotannossa. Järjestelmän korkean haihtumiskyvyn saavuttamiseksi on tärkeää tutkia laajakaistan absorptiota aurinkoa absorboivien materiaalien aurinkospektrillä.
Aurinkovoimalla toimivissa rajapintahaihdutusjärjestelmissä kehitetyt ja tutkitut aurinkoenergiaa absorboivat materiaalit sisältävät pääasiassa hiilipitoisia materiaaleja, plasmonisia hiukkasia ja spektrisesti selektiivisiä absorboivia materiaaleja. Niistä luonnollisilla mustilla ja hiilipitoisilla materiaaleilla on vahvat auringon lämmön muunnosominaisuudet ja ne soveltuvat laajakaistaisiin ja korkean intensiteetin aurinkoenergian vaimentimiin.
Korkean auringon absorptionopeuden, alhaisten kustannusten ja hyvän vakauden vuoksi monia hiilipohjaisia aurinkoabsorboijia on tutkittu, mukaan lukien hiilinanoputket, grafiitti ja pelkistetty grafeenioksidi. Vuosien kehitystyön jälkeen järjestelmän aurinko-höyrymuunnosteho päivänvalossa on saavuttanut yli 90 %.
Vaikka aurinkoenergiaa absorboivien materiaalien kehittämisessä ja rajapintojen haihdutusrakenteiden suunnittelussa on tapahtunut suuria parannuksia, useimmat aiemmin raportoidut aurinkosuolanpoistolaitteet johtuivat suolan kerääntymisestä höyrystimen yläpinnalle suolanpoistoprosessin aikana. Kerääntynyt suola estää auringon absorption ja tukkii huokoisen höyrystimen, mikä johtaa alhaiseen aurinkoenergian muunnostehokkuuteen lämmöksi ja huonoon haihdutustehokkuuteen.
Perinteisiä fysikaalisia menetelmiä, kuten ultraääniaaltoja ja veteen upottamista, käytetään yleensä kerääntyneiden suolojen poistamiseen, mutta nämä menetelmät voivat helposti vaurioittaa rajapinnan haihdutusrakennetta.
Suolan kertymisen vähentämiseksi rajapintahaihdutusjärjestelmissä monet tutkimukset ovat keskittyneet hydrofobisen haihdutuksen kehittämiseen. Hydrofobiset höyrystimet rajoittavat kuitenkin veden tuloa yläpinnalle, mikä heikentää järjestelmän haihtumiskykyä. Toinen tapa ratkaista tämä ongelma on käyttää hydrofiilistä höyrystintä, joka siirtää ylimääräisen suolan yläpinnalta bulkkiveteen.
Tähän mennessä monet tutkimukset ovat keskittyneet hydrofiilisten höyrystimien, kuten hydrofiilisten selluloosakangaskalvojen, paperipohjaisten hydrofiilisten kalvojen ja biovaikutteisten höyrystimien suunnitteluun. Pitkän aikavälin vakaan ja erittäin tehokkaan aurinkovoimaisen rajapinnan haihdutusjärjestelmän kehittäminen on kuitenkin edelleen merkittävä haaste.
Tässä tutkimuksessa esittelemme suolaa kestävää, erittäin tehokasta aurinkoa absorboivaa ja nopeasti lämpöherkkää pelkistettyä grafeenioksidia (rGO) -vaahtoa aurinkovoimalla tapahtuvaan rajapintojen suolanpoistoon heikosti fluoresoivassa aurinkovalaistuksessa.
Uudessa huokoisessa rakenteessa pohjaksi valittiin hydrofiilinen melamiinivaahto (MF) , joka paitsi laajentaa auringon absorptiopinta-alaa myös parantaa moninkertaista sirontaa.
Pelkistetyn grafeenioksidilla päällystetyn melamiinivaahdon pinnan hydrofiilisyys ja huokoisuus tarjoavat riittävän kostutuksen ja sulautumisen aurinkolämmön muunnosvyöhykkeelle sekä nopean veden täydentymisen, samalla välttäen suolojen kertymistä.
Hyödyntämällä pelkistetyn grafeenioksidilla päällystetyn melamiinivaahdon korkeaa suorituskykyä aurinkoenergialla toimiva rajapintajärjestelmä pystyy muuntamaan aurinkoenergiasta höyryksi 89.6 %.
Lisäksi integroimme pelkistettyä grafeenioksidilla päällystettyä melamiinivaahtoa kaupalliseen aurinkoenergiaan, suunnittelimme ja valmistimme aurinkovoimalla toimivan rajapinnan meriveden suolanpoistolaitteen, jonka aurinkoenergian muuntotehokkuus veteen on 56.4 % päivänvalossa. Auringon suolanpoiston vuoksi kerätty puhdas vesi on juomakelpoista laatuvaatimusta.
Erinomaisen haihdutussuorituskyvyn ja aurinko-lämpömuunnosmateriaalien skaalautuvuuden ansiosta tämä aurinkovoimalla toimiva meriveden rajapinnan suolanpoistojärjestelmä tarjoaa laajat sovellusmahdollisuudet meriveden suolanpoiston käytännön sovelluksissa.
Aurinkoenergian suolanpoiston lämmönsiirtomateriaalien skaalautuvuus
Pintojen välinen haihdutusjärjestelmä, joka perustuu pelkistettyyn grafeenioksidilla päällystettyyn melamiinivaahtoon. Ter-grafeenioksidilla päällystetty melamiinivaahto on keskellä, ja sen ulkopuolella on polyeteenivaahtokerros (PE), joka muodostaa itsekuplaavan rajapinnan haihdutusjärjestelmän.
Melamiinivaahtoa, joka on päällystetty telluurilla pelkistetyllä grafeenioksidilla, käytetään nopeasti absorboimaan tulevaa auringonsäteilyä, muuttamaan aurinkoenergiaa lämmöksi ja luomaan liikkeellepaneva voima rajapintojen haihtumiseen. Toisaalta hydrofiilinen pelkistetty grafeenioksidilla päällystetty melamiinivaahto voi jatkuvasti vetää suolaliuosta haihdutusvyöhykkeelle.
Grafeenitrioksidilla päällystetyn melamiinivaahdon huokoinen rakenne mahdollistaa syntyneen höyryn karkaamisen ympäristöön, mikä edistää auringonvalon vangitsemista ja lisää siten aurinkoenergian muuntamisen tehokkuutta lämmöksi. Pelkistetty grafeenioksidilla päällystetty melamiinivaahto on huokoinen ja hydrofiilinen, minkä ansiosta se voi vetää vettä edellä kuvattuun haihdutusrakenteeseen ja samalla hajottaa väkevöityjä suoloja takaisin bulkkimeriveteen.
Haihtumisprosessin aikana vaahdon suolapitoisuus on korkeampi kuin pohjalla olevan meriveden pitoisuus. Pitoisuuden muutokset aiheuttavat suolan hajoamisen veteen. Lisäksi ympäröivä polyeteenivaahto ei ainoastaan vähennä grafeenioksidilla päällystetyn melamiinivaahdon määrää , vaan myös kerääntyy luonnollisesti veden pinnalle estäen ympäröivän suolaveden aiheuttamaa lämmönhukkaa.
Liitäntähaihdutusjärjestelmät voivat toimia jatkuvasti ja tehokkaasti veden pinnalla ilman monimutkaisia rakennussuunnitelmia. Lisäksi, koska haihtumista tapahtuu kaasun ja nesteen rajapinnassa, rajapinnan haihdutusjärjestelmä voi liikkua itsenäisesti rajapinnan vetäytyessä.
Telluurilla pelkistetty grafeenioksidilla päällystetty melamiinivaahto on rajapinnan haihdutusjärjestelmän avainkomponentti. Melamiinivaahto upotettiin grafeenioksidikolloidiseen suspensioon pelkistetyn grafeenioksidilla päällystetyn melamiinivaahdon valmistamiseksi, ja sitten grafeenioksidi pelkistettiin pelkistetyksi grafamiinioksidiksi käyttämällä hydrotermistä menetelmää.
Pelkistetty grafeenioksidipinnoitettu melamiinivaahto, jonka halkaisija on 3.5 cm ja paksuus 1.6 cm, on helppo valmistaa ja sen väri on syvän musta.
Pelkistetyn grafeenioksidilla päällystetyn melamiinivaahtomateriaalin pinnan karheus, joka havaittiin kolmiulotteisella optisella mikroskoopilla, osoitti yli 300 μm:n korkeuden vaihtelua. Auringon lämpökonversiokomposiittien karkea pintarakenne johtuu pääasiassa melamiinivaahdon huokoisesta rakenteesta, ja modifioitu pelkistetty grafeenioksidi lisää myös pinnan karheutta.
Pinnan karheus vahvistaa auringon absorptiopinta-alaa ja lisää samalla tulevan auringonvalon moninkertaista sirontaa, mikä parantaa järjestelmän muunnostehokkuutta auringosta lämmöksi. Valmistetun melamiinivaahdon mikrorakenne eri suurennoksilla. Grafeenioksidilla päällystetyssä melamiinivaahtopinnassa on ryppyinen ja toisiinsa liittyvä verkkorakenne.
RGO-pinnoitetun melamiinivaahdon huokoskoko on 20-40 μm. Avoin huokosrakenne ja ryppyinen pinta helpottavat grafeenioksidin laskeutumista. Pelkistetyllä grafeenioksidilla päällystetyllä melamiinivaahdolla on hyvä veden kostuvuus huokoisen melamiinivaahdon hydrofiilisyyden ansiosta.
Kun vesipisara koskettaa pelkistetyn grafeenioksidilla päällystetyn melamiinivaahdon pintaa, se imeytyy täysin 0.5 sekunnissa. Pelkistettyjen grafeenioksidikomposiittien hydrofiilinen pinta voi nopeasti ohjata vedenpoistoa huokoisen rakenteen sisällä. Pelkistetyn grafeenioksidilla päällystetyn melamiinivaahdon huokoisuus määritettiin vertaamalla massan muutoksia ennen ja jälkeen veden imeytymisen.
Grafeenioksidilla päällystetyn melamiinivaahdon huokoisuus voi olla 85.55 %. Aurinkoenergian absorptio pelkistetyllä grafeenioksidilla päällystetyllä melamiinivaahdolla vaikuttaa suoraan järjestelmän muunnostehokkuuteen aurinkoenergiasta lämmöksi. Suolankestävyyden arvioimiseksi pelkistetty grafeenioksidilla päällystetty melamiinivaahto asetettiin natriumkloridiliuokseen (3.5 paino-%).
Sitten yläpinnalle laitettiin 3 g kiinteää natriumkloridia ja Tergo-pinnoitettu melamiinivaahto asetettiin aurinkotiheyteen 1 kW m-2. Kiinteän suolan määrä liukenee vähitellen 120 minuutin kuluttua.
Kun auringonvalo osuu rGO-päällystetyn melamiinivaahdon pintaan , rGO-päällystetyn melamiinivaahdon lämpötila nousee nopeasti muutamassa minuutissa ja pysyy 35 °C:ssa koko haihtumisprosessin ajan. Koska suolan liukoisuus riippuu lämpötilasta, mitä korkeampi lämpötila, sitä nopeammin suola liukenee ja siten suolan rauta voi liueta uudelleen pintaveteen.
Pelkistetyssä grafeenioksidilla päällystetyssä melamiinivaahdossa, jossa on useita huokosia, joilla on korkea vedenabsorptiokyky ja jotka voivat tarjota jatkuvan vedensyötön yläpinnalle, suolat voivat siirtyä yläpinnalta veden alakerrokseen. Lämpötilan muutokset johtavat suolapitoisuuden muutoksiin ylemmän haihdutuspinnan ja kehon välillä.
Laajakaistaisen ja tehokkaan aurinkoenergian absorption aikaansaamiseksi melamiinivaahtoa modifioitiin huokoisella hydrofiilisellä melamiinivaahdolla, mikä lisäsi auringon absorptiopinta-alaa ja lisäsi moninkertaista sirontaa.
RGO-pinnoitettuun melamiinivaahtoon perustuva aurinkorajapintojen haihdutusjärjestelmä tuottaa nopean lämpövasteen aurinkoenergiatiheydellä 1 kW m−2, jolloin saavutetaan 89.6 %:n tasaisen tilan aurinkolämpömuunnostehokkuus.
Lopuksi integroimme pelkistetyllä grafeenioksidilla päällystetyn melamiinivaahtohöyrystimen aurinkosylinteriin, joka pystyy tuottamaan 56.4 % juomavettä suolaa kerääntyvällä teholla 1 kW m-2.
Uskomme, että tätä aurinkoenergialla toimivaa rajapintojen suolanpoistolaitetta voitaisiin käyttää eristyneillä saarilla tai meressä juomaveden keräämiseen runsaista merivedestä tai muista suolaisen veden resursseista.
Yhteenveto
Suolanpoisto rGO-pinnoitetulla melamiinivaahdolla innovatiivisena ja tehokkaana aurinkoenergian suolanpoistoteknologiana on suuri potentiaali ja sovellusmahdollisuudet. Se ei voi ainoastaan tarjota luotettavia makean veden resursseja vesipulalle alueelle, vaan myös vähentää riippuvuutta perinteisestä energiasta, vähentää energiankulutusta ja ympäristön saastumista.
Tämän tutkimuksen tulokset edistävät merkittävästi globaalin makean veden resurssipulaongelman ratkaisemista ja edistävät kestävän kehityksen toteutumista.
Lisätietoja SINOYQX-melamiinivaahdosta saat ottamalla meihin yhteyttä sähköpostitse osoitteeseen [email protected] tai soittamalla numeroon +86-28-8411-1861.
Osa kuvista ja teksteistä on kopioitu Internetistä, ja tekijänoikeudet kuuluvat alkuperäiselle tekijälle. Jos rikkomuksia ilmenee, ota meihin yhteyttä poistaaksesi.