Veeressursside säästva kasutamise viisina on päikesega magestamisel suur potentsiaal ebapiisava mageveevarude probleemi lahendamisel ja veepuuduse leevendamisel. Kuid traditsioonilisel merevee magestamise tehnoloogial on sageli probleeme, nagu suur energiatarbimine, keerukad seadmed ja kõrge hind.
Viimastel aastatel on uued nanomaterjalidel põhinevad magestamise katmistehnoloogiad järk-järgult pälvinud teadlaste tähelepanu. Grafeenoksiidiga redutseeritud grafeen kui uus kahemõõtmeline materjal on näidanud märkimisväärset potentsiaali päikese magestamises.
Võrreldes traditsiooniliste magestamise kattematerjalidega on rGO eeliseks suurepärane juhtivus, suur eripind ja hea keemiline stabiilsus ning see peaks parandama magestamise tõhusust ja vähendama energiatarbimist.
Siiski on rGO-l endal probleeme agregatsiooni ja sadestumisega, mis vähendab selle aktiivsust ja stabiilsust. Seetõttu on rGO kinnitamine vahtmaterjalidele melamiinvahu /rGO komposiitkatte moodustamiseks muutunud tõhusaks viisiks magestamise efektiivsuse ja stabiilsuse parandamiseks.
Vahtmaterjali pinda modifitseerides ja kandeomadusi tugevdades fikseerisime rGO ühtlaselt vahu pinnale, et suurendada selle kontaktpinda vees leiduvate soolaioonidega. Samal ajal kontrollitakse rGO katte struktuuri ja paksust, et optimeerida magestamise tõhusust ja stabiilsust.
Magestamismehhanismi sügavamaks mõistmiseks valmistasime ka redutseeritud grafeenoksiidi (rGO) vahu. Grafeentrioksiidiga kaetud melamiinvahul on omane poorne mikrostruktuur ja hüdrofiilsus, mis võimaldab sellel olla head märguvust ja võib meelitada vett aurustumisalale, võimaldades vett kiiresti täiendada, vältides soolade sadestumist.
Grafeenoksiidiga kaetud melamiinvahu pindadevaheline aurustussüsteem võib 89.6 kW m-1 päikesekütusel saavutada püsiseisundi aurustamise efektiivsuse 2%. Sellel pindadevahelisel aurustussüsteemil on kõrge päikeseenergia ja soojuse muundamise efektiivsus ja hea pikaajaline stabiilsus, mis näitab potentsiaali kaubanduslikuks merevee magestamiseks.
Praegu on ülemaailmne energiakriis ja veepuudus muutunud peamisteks ohtudeks inimühiskonna jätkusuutlikule arengule. Kasvava energianõudluse rahuldamiseks on üha enam tähelepanu pööratud erinevate suure jõudlusega energia muundamise ja vee puhastamise tehnoloogiate arendamisele.
Päikeseenergial töötav liidese aurustamise tehnoloogia
Päikeseenergia kui paljutõotav taastuvenergiaallikas on tingitud selle ülisuurest võimsusest, universaalsusest, puhtusest ja multifunktsionaalsest muundusvõimest. See on näidanud potentsiaali asendada allesjäänud fossiilkütused fossiilkütustega.
Lisaks otseselt elektrienergiat genereerivale päikeseenergia tehnoloogiale neelab päikeseenergia muundamise tehnoloogia ka päikeseenergiat ja muundab selle soojusenergiaks, mida peetakse lihtsaks ja tõhusaks päikeseenergia kasutamise viisiks.
Päikeseenergiast muundatud soojusenergia võib käivitada olulisi tööstuslikke protsesse, nagu päikesesoojuselektrijaamad, päikeseenergia magestamine, steriliseerimine, päikeseenergia veeküttesüsteemid ja muud soojusega seotud rakendused. Päikeseenergia magestamine pakub tõhusat lahendust, eriti piirkondades, kus puudub infrastruktuur, kuna see suudab mereveest magevett ammutada ilma täiendava energiasisendita.
Viimastel aastatel on päikeseenergiaga juhitav liidese aurustamise tehnoloogia päikese-soojuse muundamise protsessi vedelik-auru liidesel ja sellest on saanud uus päikeseenergia kasutamise tehnoloogia. Võrreldes traditsioonilise integreeritud küttega, on pindadevahelised aurustussüsteemid kõrgema aurustumisefektiivsuse ja kiirema termilise reaktsiooniga ning on potentsiaalne alternatiiv merevee magestamisele.
Siiani on läbi viidud palju uuringuid pindadevahelise aurustumissüsteemide termilise jõudluse parandamiseks. Tüüpiline päikeseenergial töötav liidese aurustussüsteem koosneb kolmest olulisest osast:
Päikese neelduja, millel on kõrge päikese neeldumine ja mis muudab päikesekiirguse tõhusalt soojusenergiaks; isolaator, mis kannab muundatud soojuse põhivette; ja veevarustustee, mis tõmbab pidevalt vett põhiveest päikeseabsorberi pinnale.
Varasemates uuringutes on suur hulk teadlasi pühendunud päikeseenergia auruks muundamise üldise efektiivsuse parandamisele, sünteesides lairiba- ja päikeseenergiat neelavaid materjale, optimeerides uute veevarustusteede projekteerimist ja parandades soojusisolatsioonistruktuure.
Siiani on päikeseenergiaga töötavaid liidese aurustussüsteeme kasutatud paljudes tööstusprotsessides, päikeseenergia indutseeritud destilleerimisel, päikeseenergia steriliseerimisel, päikese magestamisel ja päikeseenergia tootmisel. Süsteemi kõrge aurustumisvõime saavutamiseks on oluline uurida päikesekiirgust neelavate materjalide lairiba neeldumist kogu päikesespektri ulatuses.
Päikeseenergiat neelavad materjalid, mis on välja töötatud ja uuritud päikeseenergiaga juhitavates liidese aurustumissüsteemides, hõlmavad peamiselt süsinikku sisaldavaid materjale, plasmoonseid osakesi ja spektraalselt selektiivseid neelavaid materjale. Nende hulgas on naturaalsetel mustadel ja süsinikku sisaldavatel materjalidel tugev päikesesoojuse muundamise võime ning need sobivad lairiba- ja suure intensiivsusega päikeseenergia neelajate jaoks.
Tänu nende kõrgele päikese neeldumiskiirusele, madalatele kuludele ja heale stabiilsusele on uuritud paljusid süsinikupõhiseid päikese neelajaid, sealhulgas süsiniknanotorusid, grafiiti ja redutseeritud grafeenoksiidi. Pärast aastatepikkust arendustööd on süsteemi päikeseenergiast auruks muundamise efektiivsus päevavalguses jõudnud üle 90%.
Kuigi päikeseenergiat neelavate materjalide väljatöötamisel ja pindadevaheliste aurustumisstruktuuride kujundamisel on tehtud suuri edusamme, oli enamik varem teatatud päikeseenergia magestamisseadmeid tingitud soola kogunemisest aurusti pealispinnale magestamisprotsessi ajal. Kogunenud sool blokeerib päikese neeldumise ja blokeerib poorse aurusti, mille tulemuseks on madal päikeseenergia muundamise efektiivsus soojuseks ja halb aurustumisvõime.
Üldjuhul kasutatakse kogunenud soolade eemaldamiseks traditsioonilisi füüsikalisi meetodeid, nagu ultrahelilained ja veekastmine, kuid need meetodid võivad kergesti kahjustada liidese aurustumisstruktuuri.
Soola kogunemise vähendamiseks pindadevahelistes aurustussüsteemides on paljud uuringud keskendunud hüdrofoobse aurustamise arendamisele. Kuid hüdrofoobsed aurustid piiravad veevarustust pealispinnale, vähendades seeläbi süsteemi aurustumisvõimet. Teine võimalus selle probleemi lahendamiseks on kasutada hüdrofiilset aurustit, mis liigutab liigse soola pealispinnalt veekogusse.
Praeguseks on paljud uuringud keskendunud hüdrofiilsete aurustite, näiteks hüdrofiilsete tsellulooskangast membraanide, paberipõhiste hüdrofiilsete membraanide ja bioloogiliselt inspireeritud aurustite projekteerimisele. Kuid pikaajalise stabiilse ja ülitõhusa päikeseenergial töötava pindadevahelise aurustumissüsteemi väljatöötamine on endiselt oluline väljakutse.
Selles uuringus demonstreerime soolakindlat, ülitõhusat päikeseenergiat neelava ja kiirelt termiliselt reageerivat redutseeritud grafeenoksiidi (rGO) vahtu päikeseenergia poolt juhitava liidese magestamise jaoks madala fluorestsentsiga päikesevalguses.
Uues poorses struktuuris valiti alusmaterjaliks hüdrofiilne melamiinvaht (MF) , mis mitte ainult ei laienda päikesekiirguse neeldumise pinda, vaid suurendab ka mitmekordset hajumist.
Redutseeritud grafeenoksiidiga kaetud melamiinvahu pinna hüdrofiilsus ja poorsus tagavad päikesesoojuse muundamise tsooni piisava niisutamise ja sulandumise ning vee kiire täiendamise, vältides samal ajal soolade kogunemist.
Kasutades ära redutseeritud grafeenoksiidiga kaetud melamiinvahu kõrget jõudlust, on päikeseenergial töötav liideste süsteem võimeline muutma päikeseenergiat auruks 89.6%.
Peale selle, integreerides redutseeritud grafeenoksiidiga kaetud melamiinvahu kaubanduslikku päikeseenergiasse, kavandasime ja valmistasime päikeseenergial töötava liidese merevee magestamise seadme, mille päikeseenergia muundumine veeks on päevavalguses 56.4%. Päikese magestamise tõttu on kogutud puhas vesi joogikvaliteediga.
Tänu suurepärasele aurustumisvõimele ja päikeseenergiast soojusenergiaks muundamise materjalide mastaapsusele pakub see päikeseenergial töötav merevee liidese magestamise süsteem laialdasi kasutusvõimalusi merevee magestamise praktilistes rakendustes.
Päikese magestamise soojusülekande materjalide mastaapsus
Pindadevaheline aurustussüsteem, mis põhineb redutseeritud grafeenoksiidiga kaetud melamiinvahul. Ter-grafeenoksiidiga kaetud melamiinvaht on keskel ja seda ümbritseb väljastpoolt vahtpolüetüleen (PE) kiht, et luua isemullidega liidese aurustussüsteem.
Vähendatud telluurisisaldusega grafeenoksiidiga kaetud melamiinvahtu kasutatakse langeva päikesekiirguse kiireks neelamiseks, päikeseenergia muundamiseks soojuseks ja pindadevahelise aurustumise liikumapanevaks jõuks. Teisest küljest võib hüdrofiilne redutseeritud grafeenoksiidiga kaetud melamiinvaht soolvett pidevalt aurustustsooni tõmmata.
Grafeentrioksiidiga kaetud melamiinvahu poorne struktuur võimaldab tekkival aurul keskkonda pääseda, soodustades päikesevalguse püüdmist ja suurendades seeläbi päikeseenergiast soojuseks muundamise efektiivsust. Redutseeritud grafeenoksiidiga kaetud melamiinvaht on poorne ja hüdrofiilne, võimaldades sellel tõmmata vett ülalkirjeldatud aurustumisstruktuuri, lagundes samal ajal kontsentreeritud soolad tagasi põhimerevette.
Aurustumisprotsessi ajal on vahu soolasisaldus kõrgem kui merevee kontsentratsioon põhjas. Kontsentratsiooni muutused põhjustavad soola lagunemise veekihtidesse. Lisaks mitte ainult ei vähenda ümbritsev polüetüleenvaht grafeenoksiidiga kaetud melamiinvahtu , vaid koguneb ka loomulikult veepinnale, takistades ümbritseva soolase vee põhjustatud soojuskadu.
Liidesega aurustussüsteemid võivad veepinnal pidevalt ja tõhusalt töötada, ilma et oleks vaja keerulisi ehitusprojekte. Lisaks, kuna aurustumine toimub gaasi-vedeliku liidesel, võib liidese aurustumissüsteem liidese taandumisel iseseisvalt liikuda.
Telluuriga redutseeritud grafeenoksiidiga kaetud melamiinvaht on pindadevahelise aurustussüsteemi põhikomponent. Melamiinvaht kasteti grafeenoksiidi kolloidsesse suspensiooni, et valmistada redutseeritud grafeenoksiidiga kaetud melamiinvaht, ja seejärel redutseeriti grafeenoksiid hüdrotermilise meetodi abil redutseeritud grafamiinoksiidiks.
Redutseeritud grafeenoksiidiga kaetud melamiinvaht läbimõõduga 3.5 cm ja paksusega 1.6 cm on kergesti valmistatav ja selle värvus on sügavmust.
Kolmemõõtmelise optilise mikroskoobi abil täheldatud redutseeritud grafeenoksiidiga kaetud melamiinvahtmaterjali pinna karedus näitas kõrguse varieerumist üle 300 μm. Päikese termilise muundamise komposiitide töötlemata pinnastruktuur on peamiselt tingitud melamiinvahu poorsest struktuurist ja modifitseeritud redutseeritud grafeenoksiid suurendab ka pinna karedust.
Pinna karedus suurendab päikesekiirguse neeldumispinda, suurendades samal ajal langeva päikesevalguse mitmekordset hajumist, parandades seega süsteemi päikeseenergia muundamise efektiivsust soojuseks. Valmistatud melamiini vahu mikrostruktuur erinevatel suurendustel. Grafeenoksiidiga kaetud melamiinvahupinnal on kortsus ja omavahel ühendatud võrgustruktuur.
RGO-ga kaetud melamiinvahu pooride suurus on vahemikus 20–40 μm. Avatud pooride struktuur ja kortsuspind hõlbustavad grafeenoksiidi sadestumist. Redutseeritud grafeenoksiidiga kaetud melamiinvahul on tänu poorse melamiinvahu hüdrofiilsusele hea vee märguvus.
Kui veepiisk puudutab redutseeritud grafeenoksiidiga kaetud melamiinvahu pinda, imendub see täielikult 0.5 sekundi jooksul. Redutseeritud grafeenoksiidi komposiitide hüdrofiilne pind võib kiiresti juhtida drenaaži poorses struktuuris. Redutseeritud grafeenoksiidiga kaetud melamiinvahu poorsus määrati massimuutuste võrdlemisel enne ja pärast vee imendumist.
Grafeenoksiidiga kaetud melamiinivahu poorsus võib ulatuda 85.55% -ni. Päikeseenergia neeldumine vähendatud grafeenoksiidiga kaetud melamiinvahu poolt mõjutab otseselt süsteemi päikeseenergia muundamise efektiivsust soojuseks. Soolakindluse hindamiseks pandi naatriumkloriidi lahusesse (3.5 massiprotsenti) redutseeritud grafeenoksiidiga kaetud melamiinvaht.
Seejärel asetati ülemisele pinnale 3 g tahket naatriumkloriidi ja asetati Tergo-kattega melamiinvaht päikesetihedusega 1 kW m-2. Tahke soola kogus lahustub järk-järgult 120 minuti pärast.
Kui päikesevalgus paistab rGO-kattega melamiinvahu pealispinnale , tõuseb rGO-kattega melamiinvahu temperatuur minutite jooksul kiiresti ja püsib kogu aurustumisprotsessi vältel 35 °C juures. Kuna soola lahustuvus sõltub temperatuurist, siis mida kõrgem on temperatuur, seda kiiremini sool lahustub ja seetõttu saab soola rauda pinnavette uuesti lahustada.
Redutseeritud grafeenoksiidiga kaetud melamiinvahus, millel on palju suure veeimavusvõimega poore, mis suudavad tagada pideva veevarustuse pealmisele pinnale, võivad soolad liikuda pealispinnalt vee alamkihti. Temperatuurimuutused põhjustavad soolsuse muutusi ülemise aurustumispinna ja keha vahel.
Lairibaühenduse ja tõhusa päikeseenergia neeldumise saavutamiseks modifitseeriti melamiinvahtu poorse hüdrofiilse melamiinvahuga, suurendades seeläbi päikese neeldumispinda ja suurendades mitmekordset hajumist.
RGO-ga kaetud melamiinvahul põhinev päikeseliidese aurustussüsteem omab kiiret termilist reaktsiooni päikeseenergia tihedusel 1 kW m-2, saavutades püsiva oleku päikese soojusenergia muundamise efektiivsuse 89.6%.
Lõpuks integreerisime redutseeritud grafeenoksiidiga kaetud melamiinvahu aurusti päikesepatarei, mis suudab toota 56.4% joogivett soola kogunemisega 1 kW m-2 juures.
Me näeme, et seda päikeseenergial töötavat liidese magestamise seadet saaks kasutada eraldatud saartel või ookeanis, et koguda joogivett rohketest mereveest või muudest soolase vee ressurssidest.
Järeldus
Magestamine rGO-kattega melamiinvahul kui uuenduslikul ja tõhusal päikeseenergia magestamise tehnoloogial on suur potentsiaal ja kasutusvõimalused. See ei saa mitte ainult pakkuda usaldusväärseid mageveevarusid veepuuduses piirkondades, vaid ka vähendada sõltuvust traditsioonilisest energiast, vähendada energiatarbimist ja keskkonnareostust.
Selle uurimistöö tulemused annavad olulise panuse ülemaailmse mageveevarude puuduse probleemi lahendamisesse ja soodustavad säästva arengu elluviimist.
Lisateabe saamiseks SINOYQX melamiinvahu kohta võtke meiega ühendust aadressil [email protected] või helistage telefonil +86-28-8411-1861.
Mõned pildid ja tekstid on reprodutseeritud Internetist ning autoriõigused kuuluvad algsele autorile. Rikkumise korral võtke meiega kustutamiseks ühendust.