Som en bæredygtig måde at udnytte vandressourcerne på har solafsaltning et stort potentiale til at løse problemet med utilstrækkelige ferskvandsressourcer og afhjælpe vandmangel. Traditionel havvandsafsaltningsteknologi har dog ofte problemer som højt energiforbrug, komplekst udstyr og høje omkostninger.
I de senere år har nye afsaltningsbelægningsteknologier baseret på nanomaterialer gradvist tiltrukket sig forskernes opmærksomhed. Grafenoxidreduceret grafen, som et nyt todimensionelt materiale, har vist betydeligt potentiale i solafsaltning.
Sammenlignet med traditionelle afsaltningsbelægningsmaterialer har rGO fordelene ved fremragende ledningsevne, højt specifikt overfladeareal og god kemisk stabilitet og forventes at forbedre afsaltningseffektiviteten og reducere energiforbruget.
Imidlertid har rGO i sig selv problemer med aggregering og aflejring, hvilket reducerer dets aktivitet og stabilitet. Derfor er fiksering af rGO på skummaterialer for at danne en melaminskum /rGO-kompositbelægning blevet en effektiv måde at forbedre afsaltningseffektiviteten og -stabiliteten på.
Ved at modificere overfladen og styrke skummaterialets bærende egenskaber fik vi ensartet rGO på skumoverfladen for at øge dets kontaktareal med saltioner i vandet. Samtidig styres strukturen og tykkelsen af rGO-belægningen for at optimere afsaltningseffektiviteten og stabiliteten.
For at få en dybere forståelse af afsaltningsmekanismen, forberedte vi også et reduceret grafenoxid (rGO) skum. Grafentrioxid-coatet melaminskum har en iboende porøs mikrostruktur og hydrofilicitet, som gør det muligt at have god fugtighed og kan tiltrække vand til fordampningsområdet, hvilket gør det muligt at genopfylde vand hurtigt, samtidig med at saltudfældning undgås.
Grænsefladefordampningssystemet af grafenoxid-belagt melaminskum kan opnå en steady-state fordampningseffektivitet på 89.6% under 1kW m−2 solbrændstof. Dette grænsefladefordampningssystem har høj sol-til-varme konverteringseffektivitet og god langtidsstabilitet, hvilket viser potentiale for kommerciel afsaltning af havvand.
På nuværende tidspunkt er den globale energikrise og vandmangel blevet store trusler mod den bæredygtige udvikling af det menneskelige samfund. For at imødekomme det voksende energibehov har udviklingen af forskellige højtydende energikonverterings- og vandrensningsteknologier fået stigende opmærksomhed.
Solcelledrevet grænsefladefordampningsteknologi
Som en lovende vedvarende energikilde skyldes solenergi dens ultra-store kapacitet, universalitet, renlighed og multifunktionelle konverteringsevner. Det har vist potentialet til at erstatte fossile brændstoffer tilbageholdt med fossile brændstoffer.
Ud over solcelleteknologi, der direkte genererer elektrisk energi, absorberer sol-termisk energikonverteringsteknologi også solenergi og omdanner den til termisk energi, hvilket betragtes som en enkel og effektiv måde at udnytte solenergi på.
Den termiske energi, der omdannes fra solenergi, kan drive vigtige industrielle processer såsom solvarmekraftværker, solafsaltning, sterilisering, solvarmeanlæg til vand og andre varmerelaterede applikationer. Solafsaltning tilbyder en effektiv løsning, især for områder, der mangler infrastruktur, fordi den kan udvinde ferskvand fra havvand uden yderligere energitilførsel.
I de seneste år har soldrevet grænsefladefordampningsteknologi lokaliseret solvarmekonverteringsprocessen ved væske-damp-grænsefladen og er blevet en ny solenergiudnyttelsesteknologi. Sammenlignet med traditionel integreret opvarmning udviser grænsefladefordampningssystemer højere fordampningseffektivitet og hurtigere termisk respons og er et potentielt alternativ til afsaltning af havvand.
Indtil videre er der udført mange undersøgelser af forbedring af den termiske ydeevne af grænsefladefordampningssystemer. Et typisk soldrevet grænsefladefordampningssystem består af tre vigtige dele:
En solfanger med høj solabsorption og effektivt omdanner solstråling til varmeenergi; en isolator, der overfører den konverterede varme til bulkvandet; og en vandforsyningsvej, der kontinuerligt trækker vand fra bulkvandet til overfladen af solfangeren.
I tidligere studier har et stort antal forskere dedikeret sig til at forbedre den samlede effektivitet af konvertering fra solenergi til damp ved at syntetisere bredbånds- og solenergiabsorberende materialer, optimere designet af nye vandforsyningsveje og forbedre varmeisoleringsstrukturer.
Hidtil er soldrevne grænsefladefordampningssystemer blevet brugt i mange industrielle processer, induceret soldestillation, solsterilisering, solafsaltning og solenergiproduktion. For at opnå høj fordampningsydelse af systemet er det vigtigt at udforske bredbåndsabsorptionen på tværs af solspektret af solabsorberende materialer.
De solenergiabsorberende materialer udviklet og udforsket i soldrevne grænsefladefordampningssystemer omfatter hovedsageligt kulholdige materialer, plasmoniske partikler og spektralt selektive absorberende materialer. Blandt dem har naturlige sorte og kulholdige materialer stærke solvarmekonverteringsevner og er velegnede til bredbånds- og højintensive solfangere.
På grund af deres høje solabsorptionshastighed, lave omkostninger og gode stabilitet er mange kulstofbaserede solabsorbere blevet undersøgt, herunder kulstofnanorør, grafit og reduceret grafenoxid. Efter flere års udvikling har systemets sol-til-damp konverteringseffektivitet under dagslys nået mere end 90 %.
Selvom der har været store forbedringer i at udvikle solenergiabsorberende materialer og designe grænsefladefordampningsstrukturer, skyldtes de fleste tidligere rapporterede solafsaltningsanordninger saltophobning på fordamperens øverste overflade under afsaltningsprocessen. Det akkumulerede salt blokerer solabsorption og blokerer den porøse fordamper, hvilket resulterer i lav sol-til-varme konverteringseffektivitet og dårlig fordampningsydelse.
Traditionelle fysiske metoder såsom ultralydsbølger og vandnedsænkning bruges generelt til at fjerne akkumulerede salte, men disse metoder kan let forårsage skade på grænsefladefordampningsstrukturen.
For at reducere akkumulering af salt i grænsefladefordampningssystemer har mange undersøgelser fokuseret på at udvikle hydrofob fordampning. Hydrofobe fordampere begrænser dog vandtilførslen til den øverste overflade og reducerer derved systemets fordampningsevne. En anden måde at løse dette problem på er at bruge en hydrofil fordamper, som flytter overskydende salt fra den øverste overflade til bulkvandet.
Til dato har mange undersøgelser fokuseret på at designe hydrofile fordampere, såsom hydrofile cellulosestofmembraner, papirbaserede hydrofile membraner og bioinspirerede fordampere. Men at udvikle et langsigtet stabilt og højeffektivt soldrevet grænsefladefordampningssystem er fortsat en betydelig udfordring.
I denne undersøgelse demonstrerer vi et salt-resistent, højeffektivt solabsorberende og hurtigt termisk responsivt reduceret grafenoxid (rGO) skum til soldrevet grænsefladeafsaltning under lavfluorescens solbelysning.
I den nye porøse struktur blev hydrofilt melaminskum (MF) valgt som base, hvilket ikke kun udvider overfladearealet for solabsorption, men også forbedrer multipel spredning.
Overfladehydrofiliteten og porøsiteten af det reducerede grafenoxid-coatede melaminskum giver tilstrækkelig befugtning og sammensmeltning af solvarmeomdannelseszonen samt hurtig genopfyldning af vand, samtidig med at ophobning af salte undgås.
Ved at drage fordel af den høje ydeevne af reduceret grafenoxid-belagt melaminskum er det solcelledrevne grænsefladesystem i stand til en sol-til-damp konverteringsrate på 89.6 %.
Ved at integrere reduceret grafenoxid-belagt melaminskum i kommerciel solenergi har vi desuden designet og fremstillet en soldreven grænsefladeafsaltningsenhed til havvand med en sol-til-vand konverteringseffektivitet på 56.4 % i dagslys. På grund af solafsaltning er det opsamlede rene vand af drikkelig kvalitetskrav.
Med overlegen fordampningsydeevne og skalerbarhed af sol-til-termiske konverteringsmaterialer, præsenterer dette system til soldrevet grænsefladeafsaltning af havvand brede anvendelsesmuligheder i praktiske anvendelser af havvandsafsaltning.
Skalerbarhed af varmeoverførselsmaterialer til solafsaltning
Et grænsefladefordampningssystem baseret på reduceret grafenoxid-belagt melaminskum. Ter grafenoxid-belagt melaminskum er i midten og er pakket ind af et lag af polyethylen (PE) skum på ydersiden for at konstruere et selvboble-grænsefladefordampningssystem.
Melaminskum belagt med tellurreduceret grafenoxid bruges til hurtigt at absorbere indfaldende solstråling, konvertere solenergi til varme og generere en drivkraft for grænsefladefordampning. På den anden side kan hydrofilt reduceret grafenoxid-belagt melaminskum kontinuerligt trække saltlage ind i fordampningszonen.
Den porøse struktur af det grafentrioxid-coatede melaminskum tillader den genererede damp at undslippe ud i miljøet, hvilket fremmer indfangningen af sollys og dermed øger effektiviteten af sol-til-varme konvertering. Det reducerede grafenoxid-coatede melaminskum er porøst og hydrofilt, hvilket gør det muligt at trække vand ind i fordampningsstrukturen beskrevet ovenfor, mens det samtidig nedbryder koncentrerede salte tilbage i bulk havvand.
Under fordampningsprocessen er saltkoncentrationen i skummet højere end koncentrationen af havvand i bunden. Ændringer i koncentrationen får saltet til at nedbrydes til det store vand. Derudover reducerer det omgivende polyethylenskum ikke kun det grafenoxidbelagte melaminskum , men samler sig også naturligt på vandoverfladen, hvilket hæmmer varmetab forårsaget af det omgivende saltvand.
Interface-fordampningssystemer kan fungere kontinuerligt og effektivt på vandoverflader uden behov for komplekse konstruktionsdesign. Da fordampning sker ved gas-væske-grænsefladen, kan grænsefladefordampningssystemet endvidere bevæge sig autonomt, når grænsefladen trækker sig tilbage.
Tellur-reduceret grafenoxid-belagt melaminskum er en nøglekomponent i grænsefladefordampningssystemet. Melaminskum blev nedsænket i grafenoxid kolloid suspension for at fremstille reduceret grafenoxid-belagt melaminskum, og derefter blev grafenoxid reduceret til reduceret grafaminoxid ved anvendelse af en hydrotermisk metode.
Reduceret grafenoxid-belagt melaminskum med en diameter på 3.5 cm og en tykkelse på 1.6 cm er let at fremstille, og dens farve er dybsort.
Ruheden af overfladen af det reducerede grafenoxid-coatede melaminskummateriale observeret ved hjælp af et tredimensionelt optisk mikroskop viste en højdevariation på mere end 300 μm. Den ru overfladestruktur af solvarmekonverteringskompositter tilskrives hovedsageligt den porøse struktur af melaminskum, og det modificerede reducerede grafenoxid øger også overfladeruheden.
Overfladeruhed forstærker solabsorptionsoverfladearealet, mens den øger multipel spredning af indfaldende sollys, hvilket forbedrer systemets sol-til-varme konverteringseffektivitet. Mikrostruktur af det tilberedte melaminskum ved forskellige forstørrelser. Den grafenoxidbelagte melaminskumoverflade udviser en rynket og sammenkoblet netværksstruktur.
Porestørrelsen af rGO-belagt melaminskum er mellem 20 og 40 μm. Den åbne porestruktur og den rynkede overflade letter aflejringen af grafenoxid. Det reducerede grafenoxid-coatede melaminskum har god vandfugtelighed på grund af det porøse melaminskums hydrofilicitet.
Når en vanddråbe rører overfladen af det reducerede grafenoxid-coatede melaminskum, absorberes den fuldstændigt inden for 0.5 sekunder. Den hydrofile overflade af reducerede grafenoxidkompositter kan hurtigt lede dræning i den porøse struktur. Porøsiteten af reduceret grafenoxid-belagt melaminskum blev bestemt ved at sammenligne masseændringerne før og efter vandabsorption.
Porøsiteten af grafenoxid-belagt melaminskum kan nå 85.55%. Solenergiabsorption ved reduceret grafenoxid-belagt melaminskum påvirker direkte systemets sol-til-varme konverteringseffektivitet. For at evaluere saltresistensen blev reduceret grafenoxid-belagt melaminskum anbragt i natriumchloridopløsning (3.5 vægt%).
Derefter blev 3 g fast natriumchlorid placeret på den øvre overflade, og det Tergo-coatede melaminskum blev anbragt ved en soltæthed på 1 kW m−2. Mængden af fast salt opløses gradvist efter 120 minutter.
Når sollys skinner på den øverste overflade af det rGO-belagte melaminskum , stiger temperaturen af det rGO-belagte melaminskum hurtigt inden for få minutter og forbliver på 35 °C under hele fordampningsprocessen. Da saltets opløselighed afhænger af temperaturen, jo højere temperaturen er, desto hurtigere opløses saltet, og derfor kan saltjernet genopløses i overfladevandet.
I reduceret grafenoxid-belagt melaminskum, som har adskillige porer med høj vandabsorptionskapacitet, der kan give en kontinuerlig vandforsyning til den øverste overflade, kan salte bevæge sig fra den øverste overflade til underlaget af vand. Temperaturændringer fører til saltholdighedsændringer mellem den øvre fordampningsoverflade og kroppen.
For at opnå bredbånd og effektiv solenergiabsorption blev melaminskum modificeret med porøst hydrofilt melaminskum, hvorved solabsorptionsoverfladearealet blev øget og multipel spredning.
Solens grænsefladefordampningssystem baseret på rGO-belagt melaminskum udviser hurtig termisk respons ved en solenergitæthed på 1 kW m−2, hvilket opnår en steady-state solvarmekonverteringseffektivitet på 89.6 %.
Til sidst integrerede vi en reduceret grafenoxid-belagt melaminskumfordamper i en solcelle, som kan producere 56.4% drikkevand med saltophobning ved 1 kW m−2.
Vi forestiller os, at denne solcelledrevne grænsefladeafsaltningsenhed kan bruges på isolerede øer eller i havet til at indsamle drikkevand fra rigeligt havvand eller andre saltvandsressourcer.
Konklusion
Afsaltning rGO-belagt melaminskum, som en innovativ og effektiv solafsaltningsteknologi, har et stort potentiale og anvendelsesmuligheder. Det kan ikke kun levere pålidelige ferskvandsressourcer til områder med knaphed på vand, men også reducere afhængigheden af traditionel energi, reducere energiforbruget og miljøforurening.
Resultaterne af denne forskning vil give et vigtigt bidrag til at løse det globale problem med mangel på ferskvandsressourcer og fremme realiseringen af bæredygtig udvikling.
For mere information om SINOYQX Melaminskum, kontakt os venligst på [email protected] eller send os en telefonsvarer: +86-28-8411-1861.
Nogle billeder og tekster er gengivet fra internettet, og ophavsretten tilhører den originale forfatter. Hvis der er nogen overtrædelse, bedes du kontakte os for at slette.