Saulės gėlinimas, kaip tvarus vandens išteklių naudojimo būdas, turi didelį potencialą sprendžiant nepakankamų gėlo vandens išteklių problemą ir sumažinant vandens trūkumą. Tačiau tradicinė jūros vandens gėlinimo technologija dažnai turi problemų, tokių kaip didelis energijos suvartojimas, sudėtinga įranga ir didelė kaina.
Pastaraisiais metais mokslininkų dėmesį pamažu patraukė naujos gėlinimo dangų technologijos, kurių pagrindą sudaro nanomedžiagos. Grafeno oksidu redukuotas grafenas, kaip nauja dvimatė medžiaga, parodė didelį saulės gėlinimo potencialą.
Palyginti su tradicinėmis gėlinimo dangų medžiagomis, rGO turi puikaus laidumo, didelio specifinio paviršiaus ploto ir gero cheminio stabilumo pranašumus, todėl tikimasi, kad jis pagerins gėlinimo efektyvumą ir sumažins energijos sąnaudas.
Tačiau pats rGO turi agregacijos ir nusėdimo problemų, dėl kurių sumažėja jo aktyvumas ir stabilumas. Todėl rGO tvirtinimas prie putplasčio medžiagų, siekiant suformuoti melamino putplasčio / rGO kompozicinę dangą, tapo veiksmingu būdu pagerinti gėlinimo efektyvumą ir stabilumą.
Modifikuodami paviršių ir sustiprindami putplasčio medžiagos nešiklio savybes, mes tolygiai pritvirtinome rGO ant putplasčio paviršiaus, kad padidintume jo sąlyčio plotą su druskos jonais vandenyje. Tuo pačiu metu kontroliuojama rGO dangos struktūra ir storis, siekiant optimizuoti gėlinimo efektyvumą ir stabilumą.
Norėdami giliau suprasti gėlinimo mechanizmą, mes taip pat paruošėme redukuoto grafeno oksido (rGO) putas. Grafeno trioksidu padengtos melamino putos turi būdingą porėtą mikrostruktūrą ir hidrofiliškumą, todėl jos gerai drėkina ir gali pritraukti vandenį į garavimo zoną, leidžiant greitai papildyti vandenį, išvengiant druskos nuosėdų.
Grafeno oksidu dengtų melamino putų paviršinė garinimo sistema gali pasiekti pastovų 89.6% garavimo efektyvumą esant 1 kW m-2 saulės energijai. Ši sąsajos garinimo sistema pasižymi dideliu saulės ir šilumos konversijos efektyvumu ir geru ilgalaikiu stabilumu, o tai rodo komercinio jūros vandens gėlinimo potencialą.
Šiuo metu pasaulinė energijos krizė ir vandens trūkumas tapo pagrindine grėsme tvariam žmonių visuomenės vystymuisi. Siekiant patenkinti didėjantį energijos poreikį, vis daugiau dėmesio skiriama įvairių didelio našumo energijos konversijos ir vandens valymo technologijų kūrimui.
Saulės energija varoma paviršinio garavimo technologija
Saulės energija, kaip perspektyvus atsinaujinantis energijos šaltinis, yra dėl itin didelės talpos, universalumo, švaros ir daugiafunkcinių konversijos galimybių. Jis parodė, kad galima pakeisti iškastinį kurą iškastiniu kuru.
Be saulės fotovoltinės technologijos, tiesiogiai generuojančios elektros energiją, saulės šiluminės energijos konversijos technologija taip pat sugeria saulės energiją ir paverčia ją šilumine energija, kuri laikoma paprastu ir efektyviu saulės energijos panaudojimo būdu.
Šiluminė energija, paversta iš saulės energijos, gali paskatinti svarbius pramoninius procesus, tokius kaip saulės šiluminės elektrinės, saulės gėlinimas, sterilizavimas, saulės vandens šildymo sistemos ir kitos su šiluma susijusios programos. Saulės gėlinimas yra veiksmingas sprendimas, ypač vietovėse, kuriose trūksta infrastruktūros, nes jis gali išgauti gėlą vandenį iš jūros vandens be papildomo energijos sąnaudų.
Pastaraisiais metais saulės energija varoma paviršinio garavimo technologija nustato saulės ir šilumos konversijos procesą skysčio ir garų sąsajoje ir tapo nauja saulės energijos panaudojimo technologija. Palyginti su tradiciniu integruotu šildymu, paviršinės garinimo sistemos pasižymi didesniu garinimo efektyvumu ir greitesniu terminiu atsaku ir yra galima alternatyva jūros vandens gėlinimui.
Iki šiol buvo atlikta daug tyrimų, skirtų pagerinti paviršinių garinimo sistemų šilumines charakteristikas. Tipiška saulės energija varoma paviršinė garinimo sistema susideda iš trijų svarbių dalių:
Saulės absorberis, turintis didelę saulės absorbciją ir efektyviai paverčiantis saulės spinduliuotę šilumos energija; izoliatorius, kuris perduoda konvertuotą šilumą į birų vandenį; ir vandens tiekimo kelią, kuris nuolat traukia vandenį iš birių vandens į saulės absorberio paviršių.
Ankstesniuose tyrimuose daugybė tyrėjų skyrė pastangas gerinti bendrą saulės energijos pavertimo garu efektyvumą, sintetindami plačiajuosčio ryšio ir saulės energiją sugeriančias medžiagas, optimizuodami naujų vandens tiekimo takų projektavimą ir tobulindami šilumos izoliacijos konstrukcijas.
Iki šiol saulės energija varomos paviršinės garinimo sistemos buvo naudojamos daugelyje pramoninių procesų, sukeliamo saulės distiliavimo, saulės sterilizavimo, saulės gėlinimo ir saulės energijos gamybos. Norint pasiekti aukštą sistemos garavimo efektyvumą, svarbu ištirti plačiajuosčio ryšio absorbciją visame saulės spindulių sugeriančių medžiagų spektre.
Saulės energiją sugeriančios medžiagos, sukurtos ir ištirtos saulės valdomose paviršinės garinimo sistemose, daugiausia apima anglies medžiagas, plazmonines daleles ir spektriškai selektyvias sugeriančias medžiagas. Tarp jų, natūralios juodos ir anglies turinčios medžiagos pasižymi stipriomis saulės šilumos konversijos galimybėmis ir yra tinkamos plačiajuosčio ryšio ir didelio intensyvumo saulės energijos absorberiams.
Dėl didelio saulės sugerties greičio, mažų sąnaudų ir gero stabilumo buvo ištirta daug anglies pagrindu pagamintų saulės absorbentų, įskaitant anglies nanovamzdelius, grafitą ir redukuotą grafeno oksidą. Po daugelio metų kūrimo sistemos saulės energijos konvertavimo į garą efektyvumas dienos šviesoje pasiekė daugiau nei 90%.
Nors buvo padaryta daug patobulinimų kuriant saulės energiją sugeriančias medžiagas ir projektuojant paviršines garinimo struktūras, dauguma anksčiau praneštų saulės gėlinimo įrenginių atsirado dėl druskos susikaupimo viršutiniame garintuvo paviršiuje gėlinimo proceso metu. Sukaupta druska blokuoja saulės absorbciją ir blokuoja porėtą garintuvą, todėl sumažėja saulės energijos konversijos į šilumą efektyvumas ir prastas garinimo efektyvumas.
Susikaupusioms druskoms pašalinti dažniausiai naudojami tradiciniai fiziniai metodai, tokie kaip ultragarso bangos ir panardinimas į vandenį, tačiau šie metodai gali lengvai pažeisti sąsajos garavimo struktūrą.
Siekiant sumažinti druskos kaupimąsi paviršinėse garinimo sistemose, daugelis tyrimų buvo sutelkti į hidrofobinio garinimo kūrimą. Tačiau hidrofobiniai garintuvai riboja vandens tiekimą į viršutinį paviršių ir taip sumažina sistemos garavimo efektyvumą. Kitas būdas išspręsti šią problemą yra naudoti hidrofilinį garintuvą, kuris perkelia druskos perteklių nuo viršutinio paviršiaus į birų vandenį.
Iki šiol daugelis tyrimų buvo sutelkti į hidrofilinių garintuvų, tokių kaip hidrofilinės celiuliozės audinio membranos, popieriaus pagrindu pagamintos hidrofilinės membranos ir biologiškai įkvėpti garintuvai, projektavimą. Tačiau ilgalaikės stabilios ir labai veiksmingos saulės energija varomos tarpfazinės garinimo sistemos sukūrimas tebėra didelis iššūkis.
Šiame tyrime demonstruojame druskai atsparias, labai efektyvias saulės spindulius sugeriančias ir greitai termiškai reaguojančias redukuoto grafeno oksido (rGO) putas, skirtas saulės spindulių sukeliamam paviršiniam gėlinimui esant žemai fluorescencinei saulės apšvietimui.
Naujoje porėtoje struktūroje pagrindu buvo pasirinktas hidrofilinis melamino putplastis (MF) , kuris ne tik išplečia saulės šviesos absorbcijos paviršiaus plotą, bet ir pagerina daugybinį sklaidą.
Redukuoto grafeno oksidu dengtų melamino putų paviršiaus hidrofiliškumas ir poringumas užtikrina pakankamą saulės šilumos konversijos zonos drėkinimą ir susiliejimą, taip pat greitą vandens papildymą, tuo pačiu išvengiant druskų kaupimosi.
Išnaudodama aukštą redukuoto grafeno oksidu dengtų melamino putų našumą, saulės energija varoma sąsajos sistema gali konvertuoti saulės energiją į garą 89.6%.
Be to, integruodami sumažintas grafeno oksidu dengtas melamino putas į komercinę saulės energiją, sukūrėme ir pagaminome saulės energija varomą paviršinį jūros vandens gėlinimo įrenginį, kurio saulės energijos konversijos į vandenį efektyvumas dienos šviesoje yra 56.4%. Dėl saulės gėlinimo, surinktas švarus vanduo atitinka geriamosios kokybės reikalavimus.
Dėl puikių garavimo savybių ir saulės energijos konvertavimo į terminį medžiagų mastelio ši saulės energija varoma sąsajinio jūros vandens gėlinimo sistema siūlo plačias pritaikymo galimybes praktiniuose jūros vandens gėlinimo taikymuose.
Saulės gėlinimo šilumos perdavimo medžiagų mastelio keitimas
Sąsajos išgarinimo sistema, pagrįsta redukuotu grafeno oksidu dengtų melamino putų pagrindu. Ter grafeno oksidu dengtos melamino putos yra viduryje, o išorėje yra apvyniotos polietileno (PE) putų sluoksniu, kad būtų sukurta savaiminio burbuliavimo paviršiaus garavimo sistema.
Melamino putos, padengtos telūro sumažintu grafeno oksidu, naudojamos greitai sugerti saulės spinduliuotę, paversti saulės energiją šiluma ir sukurti tarpfazinio garavimo varomąją jėgą. Kita vertus, hidrofilinės redukuotos grafeno oksidu padengtos melamino putos gali nuolat traukti sūrymą į garavimo zoną.
Akyta grafeno trioksidu dengtų melamino putų struktūra leidžia susidariusiems garams išeiti į aplinką, skatinant saulės spindulių gaudymą ir taip padidinant saulės energijos konversijos į šilumą efektyvumą. Redukuoto grafeno oksidu dengtos melamino putos yra porėtos ir hidrofilinės, leidžiančios joms pritraukti vandenį į aukščiau aprašytą garinimo struktūrą, tuo pat metu suskaidant koncentruotas druskas atgal į birų jūros vandenį.
Garavimo proceso metu druskos koncentracija putplastyje yra didesnė nei jūros vandens koncentracija dugne. Koncentracijos pokyčiai sukelia druskos suskaidymą į vandens tūrį. Be to, aplinkinės polietileno putos ne tik sumažina grafeno oksidu padengto melamino putplasčio kiekį , bet ir natūraliai kaupiasi vandens paviršiuje, slopindamos šilumos nuostolius, kuriuos sukelia aplinkinis sūrus vanduo.
Sąsajos garinimo sistemos gali nuolat ir efektyviai veikti vandens paviršiuose, nereikalaujant sudėtingų konstrukcijų projektų. Be to, kadangi garavimas vyksta dujų ir skysčio sąsajoje, sąsajos garinimo sistema gali judėti savarankiškai, kai sąsaja atsitraukia.
Telūro sumažintas grafeno oksidu dengtas melamino putplastis yra pagrindinė tarpfazinės garinimo sistemos sudedamoji dalis. Melamino putos buvo panardintos į grafeno oksido koloidinę suspensiją, kad būtų gautos redukuotos grafeno oksidu padengtos melamino putos, o po to grafeno oksidas buvo redukuotas į redukuotą grafamino oksidą naudojant hidroterminį metodą.
3.5 cm skersmens ir 1.6 cm storio redukuoto grafeno oksidu padengtos melamino putos yra lengvai pagaminamos, o jo spalva yra tamsiai juoda.
Redukuoto grafeno oksidu dengtos melamino putplasčio medžiagos paviršiaus šiurkštumas, stebimas naudojant trimatį optinį mikroskopą, parodė daugiau nei 300 μm aukščio kitimą. Šiurkšti saulės šiluminės konversijos kompozitų paviršiaus struktūra daugiausia priskiriama porėtai melamino putų struktūrai, o modifikuotas redukuotas grafeno oksidas taip pat padidina paviršiaus šiurkštumą.
Paviršiaus šiurkštumas padidina saulės sugeriančio paviršiaus plotą, tuo pačiu padidindamas daugkartinį krintančios saulės šviesos išsklaidymą, taip pagerindamas sistemos saulės energijos konversijos į šilumą efektyvumą. Paruoštų melamino putų mikrostruktūra skirtingais didinimais. Grafeno oksidu padengtas melamino putplasčio paviršius turi raukšlėtą ir tarpusavyje sujungtą tinklo struktūrą.
RGO dengtų melamino putų porų dydis yra nuo 20 iki 40 μm. Atvirų porų struktūra ir raukšlėtas paviršius palengvina grafeno oksido nusodinimą. Redukuotu grafeno oksidu padengtos melamino putos turi gerą vandens drėgmę dėl porėtos melamino putos hidrofiliškumo.
Kai vandens lašelis paliečia redukuoto grafeno oksidu padengtos melamino putos paviršių, jis visiškai absorbuojamas per 0.5 sekundės. Hidrofilinis redukuoto grafeno oksido kompozitų paviršius gali greitai nukreipti drenažą porėtoje struktūroje. Redukuoto grafeno oksidu dengtų melamino putų poringumas buvo nustatytas lyginant masės pokyčius prieš ir po vandens absorbcijos.
Grafeno oksidu dengtų melamino putų poringumas gali siekti 85.55%. Saulės energijos sugėrimas sumažintomis grafeno oksidu dengtomis melamino putomis tiesiogiai veikia sistemos saulės energijos konversijos į šilumą efektyvumą. Norint įvertinti atsparumą druskai, redukuoto grafeno oksidu padengtos melamino putos buvo dedamos į natrio chlorido tirpalą (3.5, XNUMX masės%).
Tada ant viršutinio paviršiaus buvo dedama 3 g kieto natrio chlorido, o Tergo dengtos melamino putos, kurių saulės tankis yra 1 kW m-2. Kietos druskos kiekis palaipsniui ištirpsta po 120 minučių.
Kai saulės šviesa apšviečia rGO padengto melamino putplasčio viršutinį paviršių , rGO padengto melamino putplasčio temperatūra per kelias minutes greitai pakyla ir išlieka 35 °C viso garavimo proceso metu. Kadangi druskos tirpumas priklauso nuo temperatūros, kuo aukštesnė temperatūra, tuo greičiau druska ištirpsta, todėl druskos geležis gali būti vėl ištirpinta paviršiniame vandenyje.
Sumažinto grafeno oksidu padengtose melamino putose, turinčiose daug porų, turinčių didelį vandens sugėrimo pajėgumą, galintį užtikrinti nuolatinį vandens tiekimą į viršutinį paviršių, druskos gali judėti iš viršutinio paviršiaus į vandens posluoksnį. Temperatūros pokyčiai lemia druskingumo pokyčius tarp viršutinio garavimo paviršiaus ir kūno.
Siekiant gauti plačiajuostį ir efektyvų saulės energijos sugėrimą, melamino putos buvo modifikuotos porėtomis hidrofilinėmis melamino putomis, taip padidinant saulės sugerties paviršiaus plotą ir padidinant daugkartinę sklaidą.
Saulės paviršiaus garinimo sistema, pagrįsta rGO dengtomis melamino putomis, pasižymi greitu šiluminiu atsaku, kai saulės energijos tankis yra 1 kW m-2, todėl pastovus saulės šilumos konversijos efektyvumas yra 89.6%.
Galiausiai į saulės kolektorių įmontavome redukuoto grafeno oksidu dengtą melamino putų garintuvą, kuris gali pagaminti 56.4% geriamojo vandens su druskos kaupimu esant 1 kW m-2.
Manome, kad šis saulės energija varomas paviršinis gėlinimo įrenginys galėtų būti naudojamas izoliuotose salose arba vandenyne geriamajam vandeniui surinkti iš gausių jūros ar kitų sūraus vandens išteklių.
Išvada
Gėlinimo rGO dengtos melamino putos, kaip novatoriška ir efektyvi saulės gėlinimo technologija, turi didelį potencialą ir taikymo perspektyvas. Jis gali ne tik užtikrinti patikimus gėlo vandens išteklius vandens stokojančioms vietovėms, bet ir sumažinti priklausomybę nuo tradicinės energijos, sumažinti energijos suvartojimą ir aplinkos taršą.
Šio tyrimo rezultatai reikšmingai prisidės sprendžiant pasaulinę gėlo vandens išteklių trūkumo problemą ir skatins įgyvendinti darnią plėtrą.
Norėdami gauti daugiau informacijos apie SINOYQX melamino putas, susisiekite su mumis el. paštu [email protected] arba telefonu: +86-28-8411-1861.
Kai kurios nuotraukos ir tekstai yra atgaminti iš interneto, o autorių teisės priklauso originaliam autoriui. Jei yra kokių nors pažeidimų, susisiekite su mumis, kad pašalintume.