Som en bærekraftig måte å utnytte vannressurser på, har solavsalting et stort potensial for å løse problemet med utilstrekkelige ferskvannsressurser og lindre vannmangel. Imidlertid har tradisjonell sjøvannsavsaltningsteknologi ofte problemer som høyt energiforbruk, komplekst utstyr og høye kostnader.
De siste årene har nye avsaltningsbeleggsteknologier basert på nanomaterialer gradvis tiltrukket seg oppmerksomheten til forskere. Grafenoksidredusert grafen, som et nytt todimensjonalt materiale, har vist betydelig potensial i solavsalting.
Sammenlignet med tradisjonelle avsaltningsbeleggmaterialer har rGO fordelene med utmerket ledningsevne, høyt spesifikt overflateareal og god kjemisk stabilitet, og forventes å forbedre avsaltningseffektiviteten og redusere energiforbruket.
Imidlertid har rGO i seg selv problemer med aggregering og avsetning, noe som reduserer aktiviteten og stabiliteten. Derfor har det å fiksere rGO på skummaterialer for å danne et melaminskum /rGO-komposittbelegg blitt en effektiv måte å forbedre avsaltingseffektiviteten og -stabiliteten på.
Ved å modifisere overflaten og styrke bæreegenskapene til skummaterialet, festet vi rGO jevnt på skumoverflaten for å øke kontaktflaten med saltioner i vannet. Samtidig kontrolleres strukturen og tykkelsen på rGO-belegget for å optimalisere avsaltingseffektiviteten og stabiliteten.
For å få en dypere forståelse av avsaltingsmekanismen, forberedte vi også et redusert grafenoksid (rGO) skum. Grafentrioksid-belagt melaminskum har en iboende porøs mikrostruktur og hydrofilisitet, som gjør at det har god fuktbarhet og kan tiltrekke vann til fordampningsområdet, slik at vann kan fylles på raskt samtidig som saltutfelling unngås.
Grenseflatefordampningssystemet av grafenoksidbelagt melaminskum kan oppnå en steady-state fordampningseffektivitet på 89.6 % under 1kW m−2 solbrensel. Dette grenseflatefordampningssystemet har høy sol-til-varme konverteringseffektivitet og god langsiktig stabilitet, og viser potensiale for kommersiell avsalting av sjøvann.
For tiden har den globale energikrisen og vannmangel blitt store trusler mot bærekraftig utvikling av det menneskelige samfunn. For å møte den økende etterspørselen etter energi har utviklingen av ulike høyytelsesteknologier for energikonvertering og vannrensing fått økende oppmerksomhet.
Solcelledrevet grensesnittfordampningsteknologi
Som en lovende fornybar energikilde skyldes solenergi sin ultra-store kapasitet, universalitet, renslighet og multifunksjonelle konverteringsevner. Det har vist potensialet til å erstatte fossilt brensel som beholdes av fossilt brensel.
I tillegg til solcelleteknologi som direkte genererer elektrisk energi, absorberer solenergi-termisk energikonverteringsteknologi også solenergi og konverterer den til termisk energi, som anses som en enkel og effektiv måte å utnytte solenergi på.
Den termiske energien som konverteres fra solenergi kan drive viktige industrielle prosesser som solvarmekraftverk, solavsalting, sterilisering, solvarmesystemer for vann og andre varmerelaterte applikasjoner. Solavsalting tilbyr en effektiv løsning, spesielt for områder som mangler infrastruktur, fordi den kan trekke ferskvann fra sjøvann uten ekstra energitilførsel.
De siste årene har soldrevet grensesnittfordampningsteknologi lokalisert solvarmekonverteringsprosessen ved væske-damp-grensesnittet og har blitt en ny teknologi for solenergiutnyttelse. Sammenlignet med tradisjonell integrert oppvarming, viser grensesnittfordampningssystemer høyere fordampningseffektivitet og raskere termisk respons og er et potensielt alternativ for avsalting av sjøvann.
Så langt har det blitt utført mange studier for å forbedre den termiske ytelsen til grenseflatefordampningssystemer. Et typisk solcelledrevet grensesnittfordampningssystem består av tre viktige deler:
En solabsorber med høy solabsorpsjon og effektivt omdanner solstråling til varmeenergi; en isolator som overfører den konverterte varmen til bulkvannet; og en vannforsyningsbane som kontinuerlig trekker vann fra bulkvannet til overflaten av solabsorbatoren.
I tidligere studier har et stort antall forskere viet seg til å forbedre den generelle effektiviteten av konvertering fra solenergi til damp ved å syntetisere bredbånds- og solenergiabsorberende materialer, optimalisere utformingen av nye vannforsyningsveier og forbedre varmeisolasjonsstrukturer.
Så langt har soldrevne grensesnittfordampningssystemer blitt brukt i mange industrielle prosesser, indusert soldestillasjon, solsterilisering, solavsalting og solenergiproduksjon. For å oppnå høy fordampningsytelse til systemet er det viktig å utforske bredbåndsabsorpsjonen over solspekteret av solabsorberende materialer.
De solenergiabsorberende materialene utviklet og utforsket i soldrevne grensesnittfordampningssystemer inkluderer hovedsakelig karbonholdige materialer, plasmoniske partikler og spektralt selektive absorberende materialer. Blant dem har naturlige svarte og karbonholdige materialer sterke solvarmekonverteringsevner og er egnet for bredbånd og høyintensitets solabsorbenter.
På grunn av deres høye solabsorpsjonshastighet, lave kostnader og gode stabilitet, har mange karbonbaserte solabsorbere blitt studert, inkludert karbonnanorør, grafitt og redusert grafenoksid. Etter år med utvikling har systemets sol-til-damp konverteringseffektivitet under dagslys nådd mer enn 90 %.
Selv om det har vært store forbedringer i utvikling av solenergiabsorberende materialer og utforming av grenseflatefordampningsstrukturer, skyldtes de fleste tidligere rapporterte solavsaltingsanordninger saltakkumulering på toppoverflaten av fordamperen under avsaltingsprosessen. Det akkumulerte saltet blokkerer solabsorpsjon og blokkerer den porøse fordamperen, noe som resulterer i lav solenergi-til-varme konverteringseffektivitet og dårlig fordampningsytelse.
Tradisjonelle fysiske metoder som ultralydbølger og vannnedsenkning brukes vanligvis for å fjerne akkumulerte salter, men disse metodene kan lett forårsake skade på grensesnittets fordampningsstruktur.
For å redusere akkumulering av salt i grenseflatefordampningssystemer, har mange studier fokusert på å utvikle hydrofob fordampning. Imidlertid begrenser hydrofobe fordampere vanntilførselen til toppoverflaten, og reduserer derved fordampningsytelsen til systemet. En annen måte å løse dette problemet på er å bruke en hydrofil fordamper, som flytter overflødig salt fra toppoverflaten til bulkvannet.
Til dags dato har mange studier fokusert på å designe hydrofile fordampere, slik som hydrofile cellulose stoffmembraner, papirbaserte hydrofile membraner og bioinspirerte fordampere. Men å utvikle et langsiktig stabilt og svært effektivt solcelledrevet grensesnittfordampningssystem er fortsatt en betydelig utfordring.
I denne studien demonstrerer vi et saltbestandig, svært effektivt solabsorberende og raskt termisk responsivt redusert grafenoksid (rGO) skum for soldrevet grensesnittavsalting under lavfluorescens solbelysning.
I den nye porøse strukturen ble hydrofilt melaminskum (MF) valgt som base, som ikke bare utvider overflatearealet for solabsorpsjon, men også forbedrer multippel spredning.
Overflatens hydrofilisitet og porøsitet til det reduserte grafenoksidbelagte melaminskummet gir tilstrekkelig fukting og sammensmelting av solvarmekonverteringssonen, samt rask påfyll av vann, samtidig som man unngår akkumulering av salter.
Ved å dra nytte av den høye ytelsen til redusert grafenoksid-belagt melaminskum, er det solcelledrevne grensesnittsystemet i stand til en sol-til-damp konverteringsrate på 89.6 %.
Videre, ved å integrere redusert grafenoksid-belagt melaminskum i kommersiell solenergi, designet og produserte vi en solcelledrevet grensesnittsavsaltningsenhet for sjøvann med en sol-til-vann konverteringseffektivitet på 56.4 % under dagslys. På grunn av avsalting av solenergi, er det rene vannet som samles opp av drikkekvalitetskrav.
Med overlegen fordampningsytelse og skalerbarhet av solenergi-til-termiske konverteringsmaterialer, presenterer dette systemet for soldrevet grensesnittsavsalting av sjøvann brede bruksmuligheter i praktiske anvendelser av sjøvannsavsalting.
Skalerbarhet av varmeoverføringsmaterialer for solavsaltning
Et grenseflatefordampningssystem basert på redusert grafenoksidbelagt melaminskum. Ter grafenoksid-belagt melaminskum er i midten og er pakket inn av et lag av polyetylen (PE) skum på utsiden for å konstruere et selvboblegrenseflatefordampningssystem.
Melaminskum belagt med tellurredusert grafenoksid brukes til å raskt absorbere innfallende solstråling, konvertere solenergi til varme og generere en drivkraft for grensesnittfordampning. På den annen side kan hydrofilt redusert grafenoksid-belagt melaminskum kontinuerlig trekke saltlake inn i fordampningssonen.
Den porøse strukturen til det grafentrioksidbelagte melaminskummet gjør at den genererte dampen slipper ut i miljøet, noe som fremmer fangst av sollys og øker dermed effektiviteten av sol-til-varme-konvertering. Det reduserte grafenoksidbelagte melaminskummet er porøst og hydrofilt, slik at det kan trekke vann inn i fordampningsstrukturen beskrevet ovenfor samtidig som det bryter ned konsentrerte salter tilbake til bulk sjøvann.
Under fordampningsprosessen er saltkonsentrasjonen i skummet høyere enn konsentrasjonen av sjøvann på bunnen. Endringer i konsentrasjonen fører til at saltet brytes ned i vannet. I tillegg reduserer det omkringliggende polyetylenskummet ikke bare det grafenoksidbelagte melaminskummet , men samler seg også naturlig på vannoverflaten, noe som hemmer varmetap forårsaket av det omkringliggende saltvannet.
Grensesnittfordampningssystemer kan operere kontinuerlig og effektivt på vannoverflater uten behov for komplekse konstruksjonsdesign. Videre, siden fordampning skjer ved gass-væske-grensesnittet, kan grensesnittfordampningssystemet bevege seg autonomt når grensesnittet trekker seg tilbake.
Tellurredusert grafenoksidbelagt melaminskum er en nøkkelkomponent i grenseflatefordampningssystemet. Melaminskum ble nedsenket i grafenoksidkolloidal suspensjon for å fremstille redusert grafenoksidbelagt melaminskum, og deretter ble grafenoksid redusert til redusert grafaminoksid ved bruk av en hydrotermisk metode.
Redusert grafenoksidbelagt melaminskum med en diameter på 3.5 cm og en tykkelse på 1.6 cm er lett å fremstille og fargen er dyp svart.
Ruheten på overflaten til det reduserte grafenoksidbelagte melaminskummaterialet observert ved bruk av et tredimensjonalt optisk mikroskop viste en høydevariasjon på mer enn 300 μm. Den grove overflatestrukturen til solvarmekonverteringskompositter tilskrives hovedsakelig den porøse strukturen til melaminskum, og det modifiserte reduserte grafenoksidet øker også overflateruheten.
Overflatens ruhet forsterker solabsorpsjonsoverflaten samtidig som den øker multippel spredning av innfallende sollys, og forbedrer dermed sol-til-varme-konverteringseffektiviteten til systemet. Mikrostruktur av det tilberedte melaminskum ved forskjellige forstørrelser. Den grafenoksidbelagte melaminskumoverflaten viser en rynket og sammenkoblet nettverksstruktur.
Porestørrelsen til rGO-belagt melaminskum er mellom 20 og 40 μm. Den åpne porestrukturen og den rynkete overflaten letter avsetningen av grafenoksid. Det reduserte grafenoksidbelagte melaminskummet har god vannfuktbarhet på grunn av hydrofilisiteten til det porøse melaminskummet.
Når en vanndråpe berører overflaten av det reduserte grafenoksidbelagte melaminskummet, absorberes den fullstendig innen 0.5 sekunder. Den hydrofile overflaten til reduserte grafenoksidkompositter kan raskt lede drenering i den porøse strukturen. Porøsiteten til redusert grafenoksid-belagt melaminskum ble bestemt ved å sammenligne masseendringene før og etter vannabsorpsjon.
Porøsiteten til grafenoksidbelagt melaminskum kan nå 85.55%. Absorpsjon av solenergi ved redusert grafenoksid-belagt melaminskum påvirker direkte solenergi-til-varme-konverteringseffektiviteten til systemet. For å evaluere saltmotstanden ble redusert grafenoksidbelagt melaminskum plassert i natriumkloridløsning (3.5 vekt%).
Deretter ble 3 g fast natriumklorid plassert på den øvre overflaten og det Tergo-belagte melaminskummet ble plassert ved en soltetthet på 1 kW m−2. Mengden fast salt løses gradvis opp etter 120 minutter.
Når sollys skinner på den øvre overflaten av det rGO-belagte melaminskummet , stiger temperaturen raskt i løpet av minutter og holder seg på 35 °C gjennom hele fordampningsprosessen. Siden løseligheten til salt avhenger av temperaturen, jo høyere temperaturen er, desto raskere løses saltet opp, og derfor kan saltjernet løses opp igjen i overflatevannet.
I redusert grafenoksidbelagt melaminskum, som har mange porer med høy vannabsorpsjonskapasitet som kan gi en kontinuerlig vanntilførsel til toppoverflaten, kan salter bevege seg fra toppoverflaten til underlaget av vann. Temperaturendringer fører til endringer i saltholdighet mellom den øvre fordampningsflaten og kroppen.
For å oppnå bredbånd og effektiv absorpsjon av solenergi, ble melaminskum modifisert med porøst hydrofilt melaminskum, og derved økte solabsorpsjonsoverflatearealet og økt multippelspredning.
Solar grenseflatefordampningssystem basert på rGO-belagt melaminskum viser rask termisk respons ved en solenergitetthet på 1 kW m−2, og oppnår en steady-state solvarmekonverteringseffektivitet på 89.6 %.
Til slutt integrerte vi en redusert grafenoksidbelagt melaminskumfordamper i en solenergidestillator, som kan produsere 56.4 % drikkevann med saltakkumulering på 1 kW m−2.
Vi ser for oss at denne solcelledrevne grensesnittavsaltingsenheten kan brukes på isolerte øyer eller i havet for å samle drikkevann fra rikelig med sjøvann eller andre saltvannsressurser.
Konklusjon
Avsalting rGO-belagt melaminskum, som en innovativ og effektiv solavsaltingsteknologi, har stort potensiale og bruksmuligheter. Det kan ikke bare gi pålitelige ferskvannsressurser for vannknappe områder, men også redusere avhengigheten av tradisjonell energi, redusere energiforbruket og miljøforurensning.
Resultatene av denne forskningen vil gi et viktig bidrag til å løse det globale ferskvannsressursproblemet og fremme realiseringen av bærekraftig utvikling.
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.