A vízkészletek fenntartható hasznosításának módjaként a szoláris sótalanításban nagy lehetőségek rejlenek az elégtelen édesvízkészlet problémájának megoldásában és a vízhiány enyhítésében. A hagyományos tengervíz-sótalanítási technológiának azonban gyakran vannak olyan problémái, mint a magas energiafogyasztás, a bonyolult berendezések és a magas költségek.
Az elmúlt években fokozatosan felkeltették a kutatók figyelmét az új, nanoanyagokon alapuló sótalanító bevonási technológiák. A grafén-oxiddal redukált grafén, mint új kétdimenziós anyag, jelentős potenciált mutatott a szoláris sótalanításban.
A hagyományos sótalanító bevonó anyagokkal összehasonlítva az rGO-nak a kiváló vezetőképesség, a nagy fajlagos felület és a jó kémiai stabilitás előnyei vannak, és várhatóan javítja a sótalanítás hatékonyságát és csökkenti az energiafogyasztást.
Magának az rGO-nak azonban aggregációs és lerakódási problémái vannak, ami csökkenti aktivitását és stabilitását. Ezért az rGO habanyagokra rögzítése melaminhab /rGO kompozit bevonat létrehozása céljából hatékony módszerré vált a sótalanítás hatékonyságának és stabilitásának javítására.
Felületmódosítással és a habanyag hordozó tulajdonságainak erősítésével egységesen rögzítettük az rGO-t a hab felületére, hogy növeljük annak érintkezési felületét a vízben lévő sóionokkal. Ugyanakkor az rGO bevonat szerkezetét és vastagságát szabályozzák a sótalanítás hatékonyságának és stabilitásának optimalizálása érdekében.
A sótalanítási mechanizmus mélyebb megértése érdekében redukált grafén-oxid (rGO) habot is készítettünk. A grafén-trioxiddal bevont melaminhab pórusos mikroszerkezettel és hidrofilséggel rendelkezik, ami jó nedvesíthetőséget tesz lehetővé, és vizet vonzhat a párolgási területre, lehetővé téve a víz gyors utánpótlását, miközben elkerüli a sókiválást.
A grafén-oxiddal bevont melaminhab határfelületi párologtató rendszere 89.6%-os állandósult állapotú párolgási hatásfok érhető el 1 kW m-2 szoláris tüzelőanyag mellett. Ez a határfelületi elpárologtató rendszer magas napenergia-hő konverziós hatékonysággal és jó hosszú távú stabilitással rendelkezik, ami lehetőséget ad a kereskedelmi tengervíz sótalanítására.
Jelenleg a globális energiaválság és a vízhiány komoly fenyegetést jelentenek az emberi társadalom fenntartható fejlődésére nézve. A növekvő energiaigény kielégítésére egyre nagyobb figyelmet kapott a különböző nagy teljesítményű energiaátalakítási és víztisztítási technológiák fejlesztése.
Napenergiával működő határfelületi párologtatási technológia
Ígéretes megújuló energiaforrásként a napenergia rendkívül nagy kapacitásának, egyetemességének, tisztaságának és többfunkciós átalakító képességének köszönhető. Megmutatta a potenciált a visszatartott fosszilis tüzelőanyagok fosszilis tüzelőanyagokkal való helyettesítésére.
A közvetlenül villamos energiát előállító szoláris fotovoltaikus technológia mellett a napenergia-konverziós technológia a napenergiát is elnyeli és hőenergiává alakítja, ami a napenergia hasznosításának egyszerű és hatékony módja.
A napenergiából átalakított hőenergia olyan fontos ipari folyamatokat indíthat el, mint a napenergia-termelő erőművek, a szoláris sótalanítás, a sterilizálás, a szoláris vízmelegítő rendszerek és más, hővel kapcsolatos alkalmazások. A szoláris sótalanítás különösen az infrastruktúrával nem rendelkező területeken kínál hatékony megoldást, mivel további energiaráfordítás nélkül képes friss vizet nyerni a tengervízből.
Az elmúlt években a napenergiával hajtott határfelületi párologtatási technológia a napenergia-hő konverziós folyamatot a folyadék-gőz határfelületen helyezi el, és új napenergia-hasznosítási technológiává vált. A hagyományos integrált fűtéssel összehasonlítva a határfelületi elpárologtató rendszerek nagyobb párolgási hatékonyságot és gyorsabb hőreakciót mutatnak, és potenciális alternatívát jelentenek a tengervíz sótalanítására.
Eddig számos tanulmány készült a határfelületi elpárologtató rendszerek hőteljesítményének javításáról. Egy tipikus napenergiával hajtott határfelületi párologtató rendszer három fontos részből áll:
Nagy napelnyelő képességű napelem, amely hatékonyan alakítja át a napsugárzást hőenergiává; egy szigetelő, amely átadja az átalakított hőt az ömlesztett víznek; és egy vízellátási út, amely a tömbvízből folyamatosan a napkollektor felületére szívja a vizet.
Korábbi tanulmányokban számos kutató szentelte magát a napenergia gőzzé alakításának általános hatékonyságának javítására szélessávú és napenergia-elnyelő anyagok szintetizálásával, az új vízellátási útvonalak tervezésének optimalizálásával és a hőszigetelő szerkezetek fejlesztésével.
Eddig a napenergiával hajtott határfelületi párologtató rendszereket számos ipari folyamatban alkalmazták, indukált szoláris desztillációban, szoláris sterilizálásban, szoláris sótalanításban és napenergia-termelésben. A rendszer magas párolgási teljesítményének elérése érdekében fontos feltárni a szélessávú abszorpciót a napsugárzást elnyelő anyagok napsugárzási spektrumában.
A napenergia-vezérelt határfelületi párologtatási rendszerekben kifejlesztett és feltárt napenergia-elnyelő anyagok főként széntartalmú anyagokat, plazmon részecskéket és spektrálisan szelektív elnyelő anyagokat tartalmaznak. Ezek közül a természetes fekete és széntartalmú anyagok erős napenergia-hő átalakító képességgel rendelkeznek, és alkalmasak szélessávú és nagy intenzitású napenergia-elnyelőkhöz.
Magas napelnyelési sebességük, alacsony költségük és jó stabilitásuk miatt számos szénalapú napelem-elnyelőt tanulmányoztak, köztük szén nanocsöveket, grafitot és redukált grafén-oxidot. Évekig tartó fejlesztés után a rendszer napenergiából gőzzé konverziós hatékonysága nappali fényben elérte a 90%-ot.
Bár a napenergia-elnyelő anyagok fejlesztése és a határfelületi párologtatási struktúrák tervezése terén jelentős előrelépések történtek, a legtöbb korábban közölt szoláris sótalanító berendezés a sótalanítási folyamat során az elpárologtató felső felületén felgyülemlett só miatt történt. A felgyülemlett só blokkolja a napsugárzás elnyelését és blokkolja a porózus elpárologtatót, ami alacsony napenergia-hő konverziós hatékonyságot és gyenge párolgási teljesítményt eredményez.
A felgyülemlett sók eltávolítására általában hagyományos fizikai módszereket, például ultrahanghullámokat és vízbemerítést alkalmaznak, de ezek a módszerek könnyen károsíthatják a felület párolgási szerkezetét.
A határfelületi párologtatási rendszerekben a só felhalmozódásának csökkentése érdekében számos tanulmány a hidrofób párologtatás fejlesztésére összpontosított. A hidrofób elpárologtatók azonban korlátozzák a vízellátást a felső felületre, ezáltal csökkentve a rendszer párolgási teljesítményét. A probléma megoldásának másik módja egy hidrofil elpárologtató használata, amely a fölösleges sót a felső felületről az ömlesztett vízbe mozgatja.
A mai napig számos tanulmány a hidrofil elpárologtatók tervezésére összpontosított, mint például a hidrofil cellulózszövet membránok, a papíralapú hidrofil membránok és a bio-inspirált elpárologtatók. De továbbra is jelentős kihívás marad egy hosszú távú stabil és rendkívül hatékony, napenergiával hajtott határfelületi párologtató rendszer kifejlesztése.
Ebben a tanulmányban egy sóálló, rendkívül hatékony napsugárzást elnyelő és gyorsan hőre reagáló redukált grafén-oxid (rGO) habot mutatunk be napenergiával hajtott határfelületi sótalanításhoz alacsony fluoreszcenciás napsugárzás mellett.
Az új porózus szerkezetben hidrofil melaminhabot (MF) választottak alapnak, amely nemcsak a napsugárzás elnyelésére szolgáló felületet bővíti ki, hanem fokozza a többszörös szórást is.
A redukált grafén-oxiddal bevont melaminhab felületi hidrofilitása és porozitása biztosítja a szoláris hőkonverziós zóna megfelelő nedvesítését és összeolvadását, valamint a víz gyors utánpótlását, miközben elkerüli a sók felhalmozódását.
A redukált grafén-oxiddal bevont melaminhab nagy teljesítményét kihasználva a napenergiával működő interfészrendszer 89.6%-os napenergia-gőz konverzióra képes.
Ezenkívül a redukált grafén-oxiddal bevont melaminhab kereskedelmi napenergiába való integrálásával egy napenergiával hajtott határfelületi tengervíz-sótalanító berendezést terveztünk és gyártottunk, amelynek a napenergia-víz konverziós hatékonysága nappali fényben 56.4%. A szoláris sótalanítás miatt az összegyűjtött tiszta víz iható minőségi követelmény.
Kiváló párologtatási teljesítményével és a napenergiával hőenergiává konverziós anyagok méretezhetőségével ez a napenergiával hajtott, határfelületi tengervíz-sótalanító rendszer széles körű alkalmazási lehetőségeket kínál a tengervíz sótalanításának gyakorlati alkalmazásaiban.
A szoláris sótalanítási hőátadó anyagok méretezhetősége
Redukált grafén-oxiddal bevont melaminhab alapú határfelületi elpárologtató rendszer. Ter grafén-oxiddal bevont melaminhab van a közepén, és kívülről polietilén (PE) habréteg borítja, hogy önbuborékos határfelületi elpárologtató rendszert hozzon létre.
A tellúrral redukált grafén-oxiddal bevont melaminhabot a beeső napsugárzás gyors elnyelésére, a napenergia hővé alakítására és a határfelületi párolgás hajtóerejének generálására használják. Másrészt a hidrofil redukált grafén-oxiddal bevont melaminhab folyamatosan sóoldatot képes felszívni a párolgási zónába.
A grafén-trioxiddal bevont melaminhab porózus szerkezete lehetővé teszi a keletkező gőz kijutását a környezetbe, elősegítve a napfény megkötését, és ezáltal növelve a napenergiából hővé alakítás hatékonyságát. A redukált grafén-oxiddal bevont melamin hab porózus és hidrofil, lehetővé téve, hogy vizet vonjon be a fent leírt párologtató szerkezetbe, miközben a koncentrált sókat visszabontja a nagy mennyiségű tengervízbe.
A párolgási folyamat során a habban lévő sókoncentráció magasabb, mint a tengervíz koncentrációja az alján. A koncentráció változása a só lebomlását okozza a vízben. Ezenkívül a környező polietilén hab nemcsak csökkenti a grafén-oxiddal bevont melaminhabot , hanem természetes módon felhalmozódik a víz felszínén, gátolva a környező sós víz okozta hőveszteséget.
Az interfész párologtató rendszerek folyamatosan és hatékonyan működhetnek vízfelületeken anélkül, hogy bonyolult építési tervekre lenne szükség. Továbbá, mivel a párolgás a gáz-folyadék határfelületen történik, a határfelületi elpárologtató rendszer autonóm módon mozoghat, amikor a határfelület visszahúzódik.
A csökkentett tellúrtartalmú grafén-oxiddal bevont melaminhab a határfelületi elpárologtató rendszer kulcsfontosságú eleme. A melaminhabot grafén-oxid kolloid szuszpenzióba merítve redukált grafén-oxiddal bevont melaminhabot állítottunk elő, majd a grafén-oxidot hidrotermális módszerrel redukált grafin-oxiddá redukáltuk.
3.5 cm átmérőjű, 1.6 cm vastag redukált grafén-oxid bevonatú melaminhab könnyen elkészíthető, színe mélyfekete.
A redukált grafén-oxiddal bevont melaminhab anyag felületének érdessége háromdimenziós optikai mikroszkóppal megfigyelve több mint 300 μm magasságváltozást mutatott. A szoláris hőkonverziós kompozitok durva felületi szerkezete elsősorban a melaminhab porózus szerkezetének tulajdonítható, és a módosított redukált grafén-oxid is növeli a felület érdességét.
A felületi érdesség felerősíti a napsugárzás elnyelő felületét, miközben növeli a beeső napfény többszörös szórását, így javítva a rendszer napenergia-hő konverziós hatékonyságát. Az elkészített melaminhab mikroszerkezete különböző nagyításokkal. A grafén-oxiddal bevont melaminhab felület ráncos és összefüggő hálózati struktúrát mutat.
Az rGO-val bevont melaminhab pórusmérete 20 és 40 μm között van. A nyitott pórusszerkezet és a ráncos felület elősegíti a grafén-oxid lerakódását. A redukált grafén-oxiddal bevont melaminhab a porózus melaminhab hidrofilitása miatt jó víznedvesítő képességgel rendelkezik.
Amint egy vízcsepp megérinti a redukált grafén-oxiddal bevont melaminhab felületét, 0.5 másodpercen belül teljesen felszívódik. A redukált grafén-oxid kompozitok hidrofil felülete gyorsan irányíthatja a vízelvezetést a porózus szerkezeten belül. A redukált grafén-oxiddal bevont melaminhab porozitását a vízfelvétel előtti és utáni tömegváltozások összehasonlításával határoztuk meg.
A grafén-oxiddal bevont melaminhab porozitása elérheti a 85.55%-ot. A redukált grafén-oxiddal bevont melaminhab általi napenergia-elnyelés közvetlenül befolyásolja a rendszer napenergia-hő átalakításának hatékonyságát. A sóállóság értékeléséhez redukált grafén-oxiddal bevont melaminhabot helyeztünk nátrium-klorid oldatba (3.5 tömeg%).
Ezután 3 g szilárd nátrium-kloridot helyeztünk a felső felületre, majd a Tergo-bevonatú melaminhabot 1 kW m-2 napsűrűséggel. A szilárd só mennyisége 120 perc elteltével fokozatosan feloldódik.
Amikor a napfény az rGO-bevonatú melaminhab felső felületére süt , a hab hőmérséklete perceken belül gyorsan emelkedik, és a párolgási folyamat során végig 35°C-on marad. Mivel a só oldhatósága a hőmérséklettől függ, minél magasabb a hőmérséklet, annál gyorsabban oldódik a só, és így a sóban lévő vas újra feloldódhat a felszíni vízben.
A redukált grafén-oxiddal bevont melamin habban, amelynek számos nagy vízabszorpciós képességű pórusa van, amelyek folyamatos vízellátást tudnak biztosítani a felső felületen, a sók a felső felületről a víz alrétegébe mozoghatnak. A hőmérséklet-változások sótartalom-változásokhoz vezetnek a felső párolgási felület és a test között.
A szélessávú és hatékony napenergia-elnyelés érdekében a melaminhabot porózus hidrofil melaminhabbal módosították, ezzel növelve a napelnyelő felületet és növelve a többszörös szórást.
Az rGO-bevonatú melaminhab alapú napelemes határfelületi párologtató rendszer gyors hőreakciót mutat 1 kW m-2 napenergia-sűrűség mellett, 89.6%-os állandósult állapotú szoláris hőkonverziós hatásfokkal.
Végül egy redukált grafén-oxid bevonatú melaminhab párologtatót integráltunk egy szoláris lepárlóba, amely 56.4 kW m-1-nél 2%-os sófelhalmozódású ivóvizet képes előállítani.
Úgy gondoljuk, hogy ezt a napenergiával működő határfelületi sótalanító berendezést elszigetelt szigeteken vagy az óceánban lehetne használni ivóvíz összegyűjtésére bőséges tengervízből vagy más sósvízforrásból.
Összegzés
Sótalanító rGO-bevonatú melaminhab, mint innovatív és hatékony szoláris sótalanítási technológia, nagy lehetőségeket és alkalmazási lehetőségeket rejt magában. Nemcsak a vízhiányos területek számára biztosít megbízható édesvízforrást, hanem csökkenti a hagyományos energiától való függőséget, csökkenti az energiafogyasztást és a környezetszennyezést.
A kutatás eredményei nagymértékben hozzájárulnak a globális édesvízkészlet-hiány probléma megoldásához, és elősegítik a fenntartható fejlődés megvalósítását.
A SINOYQX melamin habbal kapcsolatos további információkért kérjük, vegye fel velünk a kapcsolatot a [email protected] e-mail címen , vagy telefonon a +86-28-8411-1861 telefonszámon.
Egyes képeket és szövegeket az internetről reprodukálnak, és a szerzői jogok az eredeti szerzőt illetik. Ha bármilyen jogsértést észlel, kérjük, lépjen kapcsolatba velünk a törlés érdekében.