Som ett hållbart sätt att utnyttja vattenresurserna har solavsaltning stor potential för att lösa problemet med otillräckliga färskvattenresurser och lindra vattenbrist. Men traditionell havsvattenavsaltningsteknik har ofta problem som hög energiförbrukning, komplex utrustning och höga kostnader.
Under de senaste åren har nya avsaltningstekniker baserade på nanomaterial gradvis uppmärksammats av forskare. Grafenoxidreducerad grafen, som ett nytt tvådimensionellt material, har visat betydande potential vid solavsaltning.
Jämfört med traditionella avsaltningsbeläggningsmaterial har rGO fördelarna med utmärkt ledningsförmåga, hög specifik yta och god kemisk stabilitet, och förväntas förbättra avsaltningseffektiviteten och minska energiförbrukningen.
Emellertid har rGO i sig problem med aggregering och avsättning, vilket minskar dess aktivitet och stabilitet. Därför har fixering av rGO på skummaterial för att bilda en melaminskum /rGO-kompositbeläggning blivit ett effektivt sätt att förbättra avsaltningseffektiviteten och stabiliteten.
Genom att modifiera ytan och stärka bäraregenskaperna hos skummaterialet fixerade vi rGO enhetligt på skumytan för att öka dess kontaktyta med saltjoner i vattnet. Samtidigt styrs strukturen och tjockleken på rGO-beläggningen för att optimera avsaltningseffektiviteten och stabiliteten.
För att få en djupare förståelse för avsaltningsmekanismen har vi också förberett ett skum med reducerad grafenoxid (rGO). Grafentrioxid-belagt melaminskum har en inneboende porös mikrostruktur och hydrofilicitet, vilket gör att det har god vätbarhet och kan locka vatten till förångningsområdet, vilket gör att vatten kan fyllas på snabbt samtidigt som saltutfällning undviks.
Gränsytans indunstningssystem av grafenoxidbelagt melaminskum kan uppnå en jämviktsavdunstning på 89.6 % under 1kW m−2 solbränsle. Detta gränssnittsavdunstningssystem har hög sol-till-värmekonverteringseffektivitet och god långsiktig stabilitet, vilket visar potential för kommersiell avsaltning av havsvatten.
För närvarande har den globala energikrisen och vattenbristen blivit stora hot mot det mänskliga samhällets hållbara utveckling. För att möta den växande energiefterfrågan har utvecklingen av olika högpresterande energiomvandlings- och vattenreningstekniker fått allt större uppmärksamhet.
Solcellsdriven gränssnittsförångningsteknik
Som en lovande förnybar energikälla beror solenergi på dess extremt stora kapacitet, universalitet, renlighet och multifunktionella omvandlingsförmåga. Det har visat potentialen att ersätta fossila bränslen som behålls med fossila bränslen.
Förutom att solcellstekniken direkt genererar elektrisk energi, absorberar solvärmeenergiomvandlingstekniken även solenergi och omvandlar den till värmeenergi, vilket anses vara ett enkelt och effektivt sätt att utnyttja solenergi.
Den termiska energin som omvandlas från solenergi kan driva viktiga industriella processer som solvärmekraftverk, solavsaltning, sterilisering, solvattenuppvärmningssystem och andra värmerelaterade applikationer. Solavsaltning erbjuder en effektiv lösning, särskilt för områden som saknar infrastruktur, eftersom den kan utvinna färskvatten ur havsvatten utan ytterligare energiinsats.
Under de senaste åren har soldriven gränssnittsförångningsteknik lokaliserat solvärmeomvandlingsprocessen vid vätske-ånga-gränssnittet och har blivit en ny teknik för användning av solenergi. Jämfört med traditionell integrerad uppvärmning uppvisar gränssnittsavdunstningssystem högre förångningseffektivitet och snabbare termisk respons och är ett potentiellt alternativ för avsaltning av havsvatten.
Hittills har många studier genomförts för att förbättra den termiska prestandan hos gränssnittsavdunstningssystem. Ett typiskt soldrivet gränssnittsförångningssystem består av tre viktiga delar:
En solabsorbent med hög solabsorption och effektivt omvandlar solstrålning till värmeenergi; en isolator som överför den omvandlade värmen till bulkvattnet; och en vattentillförselväg som kontinuerligt drar vatten från bulkvattnet till ytan av solabsorbatorn.
I tidigare studier har ett stort antal forskare ägnat sig åt att förbättra den totala effektiviteten i omvandlingen från solenergi till ånga genom att syntetisera bredbands- och solenergiabsorberande material, optimera utformningen av nya vattenförsörjningsvägar och förbättra värmeisoleringsstrukturer.
Hittills har soldrivna gränssnittsavdunstningssystem använts i många industriella processer, inducerad soldestillation, solsterilisering, solavsaltning och solenergiproduktion. För att uppnå hög förångningsprestanda hos systemet är det viktigt att utforska bredbandsabsorptionen över solspektrumet av solabsorberande material.
De solenergiabsorberande materialen som utvecklats och utforskats i soldrivna gränssnittsavdunstningssystem inkluderar huvudsakligen kolhaltiga material, plasmoniska partiklar och spektralt selektiva absorberande material. Bland dem har naturliga svarta och kolhaltiga material starka solvärmeomvandlingsförmåga och är lämpliga för bredband och högintensiva solabsorbenter.
På grund av deras höga solabsorptionshastighet, låga kostnad och goda stabilitet har många kolbaserade solabsorbenter studerats, inklusive kolnanorör, grafit och reducerad grafenoxid. Efter år av utveckling har systemets sol-till-ånga omvandlingseffektivitet under dagsljus nått mer än 90 %.
Även om det har skett stora förbättringar i att utveckla solenergiabsorberande material och designa gränssnittsförångningsstrukturer, berodde de flesta tidigare rapporterade solavsaltningsanordningar på saltackumulering på förångarens överyta under avsaltningsprocessen. Det ackumulerade saltet blockerar solabsorptionen och blockerar den porösa förångaren, vilket resulterar i låg sol-till-värmekonverteringseffektivitet och dålig förångningsprestanda.
Traditionella fysiska metoder som ultraljudsvågor och vattendoppning används i allmänhet för att avlägsna ackumulerade salter, men dessa metoder kan lätt orsaka skada på gränssnittets förångningsstruktur.
För att minska ackumuleringen av salt i gränssnittsavdunstningssystem har många studier fokuserat på att utveckla hydrofob avdunstning. Hydrofoba förångare begränsar dock vattentillförseln till den övre ytan, vilket minskar systemets förångningsprestanda. Ett annat sätt att lösa detta problem är att använda en hydrofil förångare, som flyttar överskottssalt från den övre ytan till bulkvattnet.
Hittills har många studier fokuserat på att designa hydrofila förångare, såsom hydrofila cellulosatygmembran, pappersbaserade hydrofila membran och bioinspirerade förångare. Men att utveckla ett långsiktigt stabilt och högeffektivt soldrivet gränssnittsförångningssystem är fortfarande en betydande utmaning.
I den här studien visar vi ett saltbeständigt, högeffektivt solabsorberande och snabbt termiskt känsligt skum med reducerad grafenoxid (rGO) för soldriven gränssnittsavsaltning under lågfluorescerande solbelysning.
I den nya porösa strukturen valdes hydrofilt melaminskum (MF) som bas, vilket inte bara expanderar ytan för solabsorption utan också förbättrar multipel spridning.
Ythydrofiliciteten och porositeten hos det reducerade grafenoxidbelagda melaminskummet ger tillräcklig vätning och sammansmältning av solvärmeomvandlingszonen, samt snabb påfyllning av vatten, samtidigt som man undviker ansamling av salter.
Genom att dra fördel av den höga prestandan hos reducerat grafenoxidbelagt melaminskum kan det soldrivna gränssnittssystemet en omvandlingshastighet från solenergi till ånga på 89.6 %.
Dessutom, genom att integrera reducerat grafenoxidbelagt melaminskum i kommersiell solenergi, designade och tillverkade vi en soldriven gränssnittsavsaltningsanordning för havsvatten med en sol-till-vatten omvandlingseffektivitet på 56.4 % under dagsljus. På grund av solavsaltning är det rena vattnet som samlas upp av drickbart kvalitetskrav.
Med överlägsen förångningsprestanda och skalbarhet av sol-till-termisk omvandlingsmaterial, erbjuder detta system för soldriven gränssnittsavsaltning av havsvatten breda tillämpningsmöjligheter i praktiska tillämpningar av avsaltning av havsvatten.
Skalbarhet av värmeöverföringsmaterial för solavsaltning
Ett gränssnittsavdunstningssystem baserat på reducerat grafenoxidbelagt melaminskum. Ter grafenoxid-belagt melaminskum är i mitten och är omslutet av ett lager av polyeten (PE) skum på utsidan för att konstruera ett självbubblande gränssnittsavdunstningssystem.
Melaminskum belagt med tellurreducerad grafenoxid används för att snabbt absorbera infallande solstrålning, omvandla solenergi till värme och generera en drivkraft för gränssnittsavdunstning. Å andra sidan kan hydrofilt reducerat grafenoxidbelagt melaminskum kontinuerligt dra saltlake in i förångningszonen.
Den porösa strukturen hos det grafentrioxidbelagda melaminskummet tillåter den genererade ångan att fly ut i miljön, vilket främjar infångningen av solljus och ökar därmed effektiviteten av sol-till-värme-omvandling. Det reducerade grafenoxidbelagda melaminskummet är poröst och hydrofilt, vilket gör att det kan dra vatten in i förångningsstrukturen som beskrivs ovan samtidigt som det bryter ner koncentrerade salter tillbaka till havsvattnet.
Under avdunstningsprocessen är saltkoncentrationen i skummet högre än koncentrationen av havsvatten på botten. Förändringar i koncentrationen gör att saltet bryts ner i huvudvattnet. Dessutom minskar det omgivande polyetenskummet inte bara det grafenoxidbelagda melaminskummet , utan samlas också naturligt på vattenytan, vilket hämmar värmeförlust orsakad av det omgivande saltvattnet.
Gränssnittsförångningssystem kan arbeta kontinuerligt och effektivt på vattenytor utan behov av komplexa konstruktionskonstruktioner. Eftersom förångning sker vid gränsytan mellan gas och vätska, kan dessutom gränssnittsindunstningssystem röra sig autonomt när gränssnittet drar sig tillbaka.
Tellurreducerat grafenoxidbelagt melaminskum är en nyckelkomponent i gränssnittsavdunstningssystemet. Melaminskum nedsänktes i grafenoxidkolloidal suspension för att framställa reducerat grafenoxidbelagt melaminskum, och sedan reducerades grafenoxid till reducerad grafaminoxid med användning av en hydrotermisk metod.
Reducerat grafenoxidbelagt melaminskum med en diameter på 3.5 cm och en tjocklek på 1.6 cm är lätt att tillverka och dess färg är djupt svart.
Ytråheten på det reducerade grafenoxidbelagda melaminskummaterialet som observerades med ett tredimensionellt optiskt mikroskop visade en höjdvariation på mer än 300 μm. Den grova ytstrukturen hos solvärmeomvandlingskompositer tillskrivs främst den porösa strukturen hos melaminskum, och den modifierade reducerade grafenoxiden ökar också ytjämnheten.
Ytjämnhet förstärker solabsorptionsytan samtidigt som den ökar multipel spridning av infallande solljus, vilket förbättrar systemets sol-till-värme-omvandlingseffektivitet. Mikrostruktur av det preparerade melaminskummet i olika förstoringar. Den grafenoxidbelagda melaminskumytan uppvisar en skrynklig och sammankopplad nätverksstruktur.
Porstorleken på rGO-belagt melaminskum är mellan 20 och 40 μm. Den öppna porstrukturen och skrynkliga ytan underlättar avsättningen av grafenoxid. Det reducerade grafenoxidbelagda melaminskummet har god vattenvätbarhet på grund av det porösa melaminskummets hydrofilicitet.
När en vattendroppe väl vidrör ytan av det reducerade grafenoxidbelagda melaminskummet absorberas den fullständigt inom 0.5 sekunder. Den hydrofila ytan av reducerade grafenoxidkompositer kan snabbt styra dränering inom den porösa strukturen. Porositeten hos reducerat grafenoxidbelagt melaminskum bestämdes genom att jämföra massaförändringarna före och efter vattenabsorption.
Porositeten hos grafenoxidbelagt melaminskum kan nå 85.55 %. Absorption av solenergi genom reducerat grafenoxidbelagt melaminskum påverkar direkt systemets sol-till-värmekonverteringseffektivitet. För att utvärdera saltbeständigheten placerades reducerat grafenoxidbelagt melaminskum i natriumkloridlösning (3.5 vikt%).
Därefter placerades 3 g fast natriumklorid på den övre ytan och det Tergo-belagda melaminskummet placerades vid en soltäthet på 1 kW m−2. Mängden fast salt löser sig gradvis efter 120 minuter.
När solljus skiner på den övre ytan av det rGO-belagda melaminskummet stiger temperaturen snabbt inom några minuter och förblir vid 35 °C under hela avdunstningsprocessen. Eftersom saltets löslighet beror på temperaturen, ju högre temperatur, desto snabbare löses saltet upp och därför kan saltjärnet återupplösas i ytvattnet.
I reducerat grafenoxidbelagt melaminskum, som har många porer med hög vattenabsorptionsförmåga som kan ge en kontinuerlig vattentillförsel till den övre ytan, kan salter flytta från den övre ytan till underskiktet av vatten. Temperaturförändringar leder till salthaltsförändringar mellan den övre förångningsytan och kroppen.
För att få bredband och effektiv solenergiabsorption modifierades melaminskum med poröst hydrofilt melaminskum, vilket ökade solabsorptionsytan och ökade multipel spridning.
Solens gränssnittsavdunstningssystem baserat på rGO-belagt melaminskum uppvisar snabb termisk respons vid en solenergitäthet på 1 kW m−2, vilket uppnår en solvärmekonverteringseffektivitet på 89.6 % i konstant tillstånd.
Slutligen integrerade vi en reducerad grafenoxidbelagd melaminskumindunstare i en solvärme, som kan producera 56.4 % dricksvatten med saltackumulering vid 1 kW m−2.
Vi föreställer oss att denna soldrivna gränssnittsavsaltningsanordning kan användas på isolerade öar eller i havet för att samla upp dricksvatten från rikligt med havsvatten eller andra saltvattenresurser.
Slutsats
Avsaltning rGO-belagt melaminskum, som en innovativ och effektiv solavsaltningsteknik, har stor potential och tillämpningsmöjligheter. Det kan inte bara tillhandahålla tillförlitliga sötvattenresurser för vattenbrista områden, utan också minska beroendet av traditionell energi, minska energiförbrukningen och miljöföroreningarna.
Resultaten av denna forskning kommer att ge ett viktigt bidrag till att lösa det globala problemet med brist på sötvattenresurser och främja förverkligandet av hållbar utveckling.
För mer information om SINOYQX Melaminskum, vänligen kontakta oss på [email protected] eller ring oss: +86-28-8411-1861.
Vissa bilder och texter är återgivna från Internet, och upphovsrätten tillhör den ursprungliga författaren. Om det finns några intrång, kontakta oss för att radera.