Soldrevet grenseflatefordampning (SIE) regnes som en av de mest lovende teknologiene for å lindre ferskvannsmangel på grunn av dens evne til effektivt å bruke solenergi til å produsere ferskvann. I tillegg har solfordampere unike fordeler ved behandling av konsentrert saltavløpsvann . Fordampningsprosessen produserer kun saltkrystaller som et biprodukt, og oppnår dermed null væskeutslipp. Imidlertid vil opphopning av salt i fordamperen hindre absorpsjonen av lys og påvirke damputslippet, noe som til slutt fører til en reduksjon i fordamperens fordampningsytelse eller til og med svikt.
For å lindre dette problemet har noen forskere foreslått en «saltsirkulasjonsstrategi». Det vil si at en sirkulasjonsbane utformes for løsningen slik at saltioner kan strømme tilbake i saltlaken, og dermed forhindre salt i å krystallisere på fordampningsoverflaten, og dermed oppnå kontinuerlig og stabil fordampning. Denne metoden vil imidlertid føre til at løsningens saltinnhold øker, og problemet med saltkrystallisering er fortsatt uunngåelig.
En annen løsning er «utsaltingsstrategien». Det vil si at strukturen reguleres slik at saltet fortrinnsvis krystalliseres i ikke-fordampningsområdet, og dermed reduseres effekten av saltkrystallisering på fordampningsytelsen, og dermed oppnås samtidig oppsamling av salt og ferskvann. «Utsaltingsstrategien» står imidlertid fortsatt overfor noen alvorlige utfordringer i praktisk anvendelse.
For det første begrenser endimensjonal saltlaketransport absorpsjonskapasiteten, noe som reduserer den totale fordampningshastigheten betydelig. For det andre krever saltkrystalliseringsstrategien regelmessig fjerning av saltkrystaller, som er vanskelige å falle av automatisk fra fordamperoverflaten på grunn av deres sterke adhesjon. Hvis det avsatte saltet ikke fjernes i tide, vil fordampningsytelsen uunngåelig bli redusert. I tillegg krever mange høyeffektive solfordampere farlige eller tidkrevende forberedelsesprosesser, for eksempel høytrykks-, lavvakuum- eller høytemperaturvarmebehandlinger.
Derfor er det et uoppnådd vitenskapelig mål å utvikle en slitesterk solfordamper for å oppnå langsiktig, effektiv og stabil vannfordampning og saltoppsamling gjennom en enkel forberedelsesprosess for null væskeutslipps avsalting.
Basert på utfordringene ovenfor utarbeidet forskerteamet ved Shandong First Medical University en tredimensjonal gradientgrafenspiral-aerogelfordamper, som kan oppnå effektiv solfordampning av høykonsentrert saltvann og oppnå null væskeutslipp.
For å oppfylle de strenge kravene til solfordampere når det gjelder effektiv solabsorpsjon, full energiutnyttelse, utmerket saltbestandighet og langsiktig stabilitet, fokuserer prosjektutformingen hovedsakelig på følgende fire hovedpunkter:
Fokus på strukturell design og forbedring av kjemisk stabilitet
Fordamperen må ha en sterk nettverksstruktur og kjemisk stabilitet, noe som er avgjørende for å oppnå langsiktig, effektiv og stabil solavsalting. Derfor valgte de rimelig, superhydrofilt, høyporøst og svært robust melaminskum som støtteskjelett for solfordamperen.
Deretter studerte de de mekaniske egenskapene til grafen-aerogeler med melaminskum som skjelett i flere modi, inkludert kompresjon, bøying og spenning, for å grundig evaluere deres mekaniske egenskaper.
For å ytterligere bekrefte robustheten og holdbarheten under faktiske bruksforhold, utførte forskerteamet tester under en rekke ekstreme forhold.
Mer spesifikt bøyde de prøven gjentatte ganger 20 ganger i luft og vann, dynket den i sure og alkaliske løsninger , og plasserte den i tøffe miljøer som høy temperatur og ultralydomrøring.
Etter disse grundige testene fant de ingen signifikante endringer i prøvens utseende og mikrostruktur, noe som fullt ut demonstrerte dens utmerkede holdbarhet og strukturelle stabilitet.
Fokus på forenkling og økonomisk forbedring av produksjonsprosesser
For å oppnå enkelhet og økonomi i produksjonsprosessen for fordamperen og unngå bruk av dyrt utstyr, utviklet de følgende forberedelsestrinn:
Det første trinnet er varmpressing
Ved hjelp av varmpresseteknologi komprimerte forskerteamet melaminskum i forskjellige tykkelser for å få en forhåndspresset melaminfilm med en tykkelse på 1 mm.
I løpet av denne prosessen, etter hvert som forholdet mellom den opprinnelige tykkelsen på prøven og den endelige komprimerte tykkelsen øker, justeres porestørrelsen til den forpressede melaminfilmen fint fra 150 μm til 20 μm , noe som danner en unik tredimensjonal gradientnettverksstruktur.
Det andre trinnet er overflatesprøyting
Bruk en sprayflaske til å spraye grafenoksidsuspensjonen jevnt på overflaten av den forhåndspressede melaminfilmen . En jevn fordeling av grafenoksid i filmen ble oppnådd, noe som la grunnlaget for påfølgende solreduksjon.
Det tredje trinnet er tørking av atmosfærisk trykk
Etter sprøyting plasserte de filmen direkte i luften for naturlig lufttørking. Dette trinnet unngår de komplekse, tidkrevende og energikrevende forberedelsesprosessene som frysetørking, superkritisk tørking og løsningsmiddelutskifting.
Det fjerde trinnet er reduksjon av sollys
Det vil si at man bruker et forstørrelsesglass til å fokusere sollyset på prøven. Under påvirkning av ultrafiolette stråler endres fargen på prøveoverflaten raskt fra brun til svart, noe som indikerer at grafenoksidet har blitt redusert til redusert grafenoksid.
Denne solreduksjonsmetoden er ikke bare enkel å bruke og miljøvennlig, men krever heller ikke bruk av kjemiske reduksjonsmidler eller høytemperatur termiske reduksjonsprosesser, noe som reduserer produksjonskostnader og miljøforurensning betydelig.
Fokus på effektiv absorpsjon av solenergi og minimering av energitap
Solfordampere må ikke bare absorbere og konvertere et bredt spekter av solenergi til termisk energi, men også minimere energitap forårsaket av diffus refleksjon og termisk stråling, og fange opp ytterligere energi fra omgivelsene. Fordampningsprosessen ved solgrensesnittet styres av tre energistrømmer: solenergitilførsel, fordampningsenergiutgang og energi som avgis til omgivelsene.
Dessverre har konvensjonelle todimensjonale solfordampere problemer med energispredning på grunn av varmeutveksling med omgivelsene, noe som gjør det vanskelig å oppnå den ideelle 100 % sol-til-damp-konverteringseffektiviteten. I motsetning til dette kan tredimensjonale solfordampere bryte den teoretiske grensen for sol-til-damp-konverteringseffektivitet.
For å redusere energitapet forårsaket av diffus refleksjon og termisk stråling på den øvre overflaten av den tredimensjonale prøven, designet teamet en tredimensjonal spiralformet konkav grafen-aerogel.
Denne strukturen har ikke bare høyere absorbans og lavere reflektivitet, men sideveggene er også i stand til å absorbere omgivelsesvarme og varme som reflekteres diffust fra bunnen, og dermed muliggjøre effektiv energigjenvinning.
Fokus på optimalisering av salttoleranse og håndtering av saltkrystallisering
Det vil si at ved å designe en unik transportkanal fremmes radial transport av saltlake, noe som fører til retningsbestemt krystallisering av salt. Denne designen forhindrer ikke bare effektivt at salt avsettes og tetter seg på fordamperoverflaten, men realiserer også effektiv oppsamling og utnyttelse av salt, og forbedrer dermed effektiviteten og bærekraften til avsaltingsprosessen betydelig.
Mer spesifikt designet og fremstilte de en tredimensjonal gradientgrafennettverksstruktur basert på en forpresset melaminporøs film . Dette gradientgrafennettverket, som er sparsomt på innsiden og tett på utsiden, kan danne en radial kapillærkraftforskjell, som fremmer radial transport av saltlake. Etter hvert som damp fortsetter å bli generert, øker den radielle strømmen av saltlake saltlakekonsentrasjonen i det ytre overflateområdet, noe som får saltet til å krystallisere retningsbestemt på den ytre overflaten i stedet for den indre overflaten. Denne designen sikrer at den indre overflaten av fordamperen opprettholder tilstrekkelig fordampningsareal, og dermed oppnår effektiv og stabil solfordampning.
Det er verdt å nevne at fordamperen bruker hele sin ytre overflate til saltkrystallisering, noe som gjør krystalliseringsområdet mye større enn andre retningsbestemte krystalliseringsfordampere.
Saltkrystaller består hovedsakelig av løst pakkede saltkrystaller med rikelig med porer, som er gunstige for transport av saltlake og frigjøring av damp.
Videre, på grunn av den fordampende kjøleeffekten, er overflatetemperaturen til saltlaget lavere enn omgivelsestemperaturen. Denne egenskapen gjør at fordamperen kan absorbere mer energi fra omgivelsene, noe som ytterligere forbedrer fordampningsytelsen.
Artikkelkilde: Deep Tech
Forskningsgruppen: Shandong First Medical University Team Research Group
Artikkelen er sitert fra: https://www.163.com/dy/article/J1RENDEH05119734.html
For mer informasjon om SINOYQX melaminskum, vennligst kontakt oss på [email protected] eller send oss en telefonsvarer: +86-28-8411-1861.
Noen bilder og tekster er gjengitt fra Internett, og opphavsretten tilhører den opprinnelige forfatteren. Hvis det er noen brudd, vennligst kontakt oss for å slette.