Η ηλιακή διεπιφανειακή εξάτμιση (SIE) θεωρείται μία από τις πιο πολλά υποσχόμενες τεχνολογίες για την αντιμετώπιση των ελλείψεων γλυκού νερού λόγω της ικανότητάς της να χρησιμοποιεί αποτελεσματικά την ηλιακή ενέργεια για την παραγωγή γλυκού νερού. Επιπλέον, οι ηλιακοί εξατμιστές έχουν μοναδικά πλεονεκτήματα στην επεξεργασία συμπυκνωμένων αλμυρών λυμάτων . Η διαδικασία εξάτμισης παράγει μόνο κρυστάλλους αλατιού ως υποπροϊόν, επιτυγχάνοντας έτσι μηδενική εκκένωση υγρού. Ωστόσο, η συσσώρευση αλατιού στον εξατμιστή θα εμποδίσει την απορρόφηση του φωτός και θα επηρεάσει τη διαφυγή ατμού, οδηγώντας τελικά σε μείωση της απόδοσης εξάτμισης του εξατμιστή ή ακόμη και σε βλάβη.
Για να μετριαστεί αυτό το πρόβλημα, ορισμένοι ερευνητές έχουν προτείνει μια στρατηγική «κυκλοφορίας αλατιού». Δηλαδή, έχει σχεδιαστεί μια διαδρομή κυκλοφορίας για το διάλυμα που επιτρέπει στα ιόντα άλατος να ρέουν πίσω στην άλμη, εμποδίζοντας έτσι το άλας να κρυσταλλωθεί στην επιφάνεια εξάτμισης, επιτυγχάνοντας έτσι συνεχή και σταθερή εξάτμιση. Ωστόσο, αυτή η μέθοδος θα προκαλέσει την αύξηση της αλατότητας του διαλύματος και το πρόβλημα της κρυστάλλωσης του αλατιού είναι ακόμα αναπόφευκτο.
Μια άλλη λύση είναι η στρατηγική «αλατίσματος». Δηλαδή, η δομή ρυθμίζεται έτσι ώστε το αλάτι να κρυσταλλώνεται κατά προτίμηση στην περιοχή χωρίς εξάτμιση, μειώνοντας έτσι την επίδραση της κρυστάλλωσης αλατιού στην απόδοση εξάτμισης, επιτυγχάνοντας έτσι την ταυτόχρονη συλλογή αλατιού και γλυκού νερού. Ωστόσο, η στρατηγική «αλάτισμα» εξακολουθεί να αντιμετωπίζει ορισμένες σοβαρές προκλήσεις στην πρακτική εφαρμογή.
Πρώτον, η μονοδιάστατη μεταφορά άλμης περιορίζει την απορροφητική ικανότητα, μειώνοντας σημαντικά τον συνολικό ρυθμό εξάτμισης. Δεύτερον, η στρατηγική κρυστάλλωσης αλατιού απαιτεί τακτική αφαίρεση των κρυστάλλων αλατιού, οι οποίοι είναι δύσκολο να πέσουν αυτόματα από την επιφάνεια του εξατμιστή λόγω της ισχυρής πρόσφυσής τους. Εάν το εναποτιθέμενο αλάτι δεν αφαιρεθεί εγκαίρως, η απόδοση εξάτμισης θα μειωθεί αναπόφευκτα. Επιπλέον, πολλοί ηλιακοί εξατμιστές υψηλής απόδοσης απαιτούν επικίνδυνες ή χρονοβόρες διαδικασίες προετοιμασίας, όπως θερμικές επεξεργασίες υψηλής πίεσης, χαμηλού κενού ή υψηλής θερμοκρασίας.
Ως εκ τούτου, η ανάπτυξη ενός ανθεκτικού ηλιακού εξατμιστήρα για την επίτευξη μακροπρόθεσμης, αποτελεσματικής και σταθερής εξάτμισης νερού και συλλογής αλατιού μέσω μιας απλής διαδικασίας προετοιμασίας για αφαλάτωση μηδενικής εκκένωσης υγρών είναι ένας ανέφικτος επιστημονικός στόχος.
Με βάση τις παραπάνω προκλήσεις, η ερευνητική ομάδα του Shandong First Medical University ετοίμασε έναν τρισδιάστατο εξατμιστή σπειροειδούς αερογέλης γραφενίου, ο οποίος μπορεί να επιτύχει αποτελεσματική ηλιακή εξάτμιση αλμυρού νερού υψηλής συγκέντρωσης και να επιτύχει μηδενική εκκένωση υγρών.
Προκειμένου να ικανοποιηθούν οι αυστηρές απαιτήσεις των ηλιακών εξατμιστών όσον αφορά την αποτελεσματική ηλιακή απορρόφηση, την πλήρη αξιοποίηση της ενέργειας, την εξαιρετική αντίσταση στο αλάτι και τη μακροπρόθεσμη σταθερότητα, ο σχεδιασμός του έργου επικεντρώνεται κυρίως στα ακόλουθα τέσσερα βασικά σημεία:
Εστίαση στον δομικό σχεδιασμό και τη βελτίωση της χημικής σταθερότητας
Ο εξατμιστής πρέπει να έχει ισχυρή δομή δικτύου και χημική σταθερότητα, η οποία είναι ζωτικής σημασίας για την επίτευξη μακροπρόθεσμης, αποτελεσματικής και σταθερής ηλιακής αφαλάτωσης. Ως εκ τούτου, επέλεξαν αφρό μελαμίνης χαμηλού κόστους, υπερυδρόφιλο, υψηλής πορώδους και υψηλής ελαστικότητας ως υποστηρικτικό σκελετό του ηλιακού εξατμιστή.
Στη συνέχεια μελέτησαν τις μηχανικές ιδιότητες των αερογελών γραφενίου με αφρό μελαμίνης ως σκελετό σε πολλαπλούς τρόπους, συμπεριλαμβανομένης της συμπίεσης, της κάμψης και της τάσης, για να αξιολογήσουν διεξοδικά τις μηχανικές τους ιδιότητες.
Προκειμένου να επαληθευτεί περαιτέρω η στιβαρότητα και η αντοχή του υπό πραγματικές συνθήκες εφαρμογής, η ερευνητική ομάδα διεξήγαγε δοκιμές κάτω από διάφορες ακραίες συνθήκες.
Συγκεκριμένα, λύγισαν επανειλημμένα το δείγμα 20 φορές σε αέρα και νερό, το εμβάπτισαν σε όξινα και αλκαλικά διαλύματα και το τοποθέτησαν σε σκληρά περιβάλλοντα όπως υψηλή θερμοκρασία και υπερηχητική ανάδευση.
Μετά από αυτές τις αυστηρές δοκιμές, δεν βρήκαν σημαντικές αλλαγές στην εμφάνιση και τη μικροδομή του δείγματος, γεγονός που απέδειξε πλήρως την εξαιρετική ανθεκτικότητα και τη δομική του σταθερότητα.
Εστίαση στην απλοποίηση και την οικονομική βελτίωση των διαδικασιών παραγωγής
Για να επιτύχουν απλότητα και οικονομία στη διαδικασία κατασκευής του εξατμιστή και να αποφύγουν τη χρήση ακριβού εξοπλισμού, σχεδίασαν τα ακόλουθα βήματα προετοιμασίας:
Το πρώτο βήμα είναι το ζεστό πάτημα
Χρησιμοποιώντας τεχνολογία θερμής συμπίεσης, η ερευνητική ομάδα συμπίεσε αφρούς μελαμίνης διαφορετικού πάχους για να αποκτήσει ένα προπρεσαριστό φιλμ μελαμίνης πάχους 1mm.
Κατά τη διάρκεια αυτής της διαδικασίας, καθώς η αναλογία του αρχικού πάχους του δείγματος προς το τελικό συμπιεσμένο πάχος αυξάνεται, το μέγεθος των πόρων της προ-συμπιεσμένης μεμβράνης μελαμίνης ρυθμίζεται με ακρίβεια από 150 μm έως 20 μm , σχηματίζοντας μια μοναδική τρισδιάστατη δομή δικτύου κλίσης.
Το δεύτερο βήμα είναι ο επιφανειακός ψεκασμός
Χρησιμοποιήστε ένα μπουκάλι ψεκασμού για να ψεκάσετε ομοιόμορφα το εναιώρημα οξειδίου του γραφενίου στην επιφάνεια της προ-συμπιεσμένης μεμβράνης μελαμίνης . Επιτεύχθηκε η ομοιόμορφη κατανομή του οξειδίου του γραφενίου στην μεμβράνη, η οποία έθεσε τα θεμέλια για την επακόλουθη μείωση της ηλιακής ακτινοβολίας.
Το τρίτο βήμα είναι η ξήρανση υπό ατμοσφαιρική πίεση
Μετά τον ψεκασμό τοποθέτησαν το φιλμ απευθείας στον αέρα για ξήρανση με φυσικό αέρα. Αυτό το βήμα αποφεύγει τις πολύπλοκες, χρονοβόρες και ενεργοβόρες διαδικασίες προετοιμασίας, όπως λυοφιλοποίηση, υπερκρίσιμη ξήρανση και αντικατάσταση διαλύτη.
Το τέταρτο βήμα είναι η μείωση του ηλιακού φωτός
Δηλαδή, χρησιμοποιώντας μεγεθυντικό φακό για να εστιάσει το ηλιακό φως στο δείγμα. Υπό τη δράση των υπεριωδών ακτίνων, το χρώμα της επιφάνειας του δείγματος αλλάζει γρήγορα από καφέ σε μαύρο, υποδεικνύοντας ότι το οξείδιο του γραφενίου έχει αναχθεί επιτυχώς σε ανηγμένο οξείδιο του γραφενίου.
Αυτή η μέθοδος ηλιακής μείωσης δεν είναι μόνο απλή στη λειτουργία και φιλική προς το περιβάλλον, αλλά επίσης δεν απαιτεί τη χρήση χημικών αναγωγικών παραγόντων ή διεργασιών θερμικής μείωσης υψηλής θερμοκρασίας, μειώνοντας σημαντικά το κόστος παραγωγής και τη ρύπανση του περιβάλλοντος.
Επικεντρωθείτε στην αποτελεσματική απορρόφηση της ηλιακής ενέργειας και στην ελαχιστοποίηση της απώλειας ενέργειας
Οι ηλιακοί εξατμιστές πρέπει όχι μόνο να απορροφούν και να μετατρέπουν ένα ευρύ φάσμα ηλιακής ενέργειας σε θερμική ενέργεια, αλλά και να ελαχιστοποιούν τις ενεργειακές απώλειες που προκαλούνται από τη διάχυτη ανάκλαση και τη θερμική ακτινοβολία και να δεσμεύουν επιπλέον ενέργεια από το περιβάλλον. Η διαδικασία εξάτμισης στην ηλιακή διεπαφή ελέγχεται από τρεις ροές ενέργειας: την εισροή ηλιακής ενέργειας, την παραγωγή ενέργειας εξάτμισης και την ενέργεια που διαχέεται στο περιβάλλον.
Δυστυχώς, οι συμβατικοί δισδιάστατοι ηλιακοί εξατμιστές αντιμετωπίζουν προβλήματα απαγωγής ενέργειας λόγω της ανταλλαγής θερμότητας με το περιβάλλον, γεγονός που καθιστά δύσκολη την επίτευξη της ιδανικής απόδοσης μετατροπής ηλιακού σε ατμό 100%. Αντίθετα, οι τρισδιάστατοι ηλιακοί εξατμιστές μπορούν να σπάσουν το θεωρητικό όριο της απόδοσης μετατροπής ηλιακού σε ατμό.
Για να μειώσει την απώλεια ενέργειας που προκαλείται από τη διάχυτη ανάκλαση και τη θερμική ακτινοβολία στην επάνω επιφάνεια του τρισδιάστατου δείγματος, η ομάδα σχεδίασε ένα τρισδιάστατο σπειροειδές κοίλο αερογέλη γραφενίου.
Αυτή η δομή όχι μόνο έχει υψηλότερη απορρόφηση και χαμηλότερη ανακλαστικότητα, αλλά τα πλευρικά της τοιχώματα είναι επίσης ικανά να απορροφούν τη θερμότητα του περιβάλλοντος και τη θερμότητα που ανακλάται διάχυτα από τον πυθμένα, επιτρέποντας έτσι την αποτελεσματική ανάκτηση ενέργειας.
Επικεντρωθείτε στη βελτιστοποίηση της ανοχής αλατιού και στη διαχείριση της κρυστάλλωσης αλατιού
Ήτοι; σχεδιάζοντας ένα μοναδικό κανάλι μεταφοράς, προωθείται η ακτινική μεταφορά της άλμης, η οποία οδηγεί σε κατευθυντική κρυστάλλωση του αλατιού. Αυτός ο σχεδιασμός όχι μόνο αποτρέπει αποτελεσματικά την εναπόθεση και την απόφραξη του αλατιού στην επιφάνεια του εξατμιστή, αλλά επίσης πραγματοποιεί την αποτελεσματική συλλογή και χρήση του αλατιού, βελτιώνοντας έτσι σημαντικά την αποτελεσματικότητα και τη βιωσιμότητα της διαδικασίας αφαλάτωσης.
Συγκεκριμένα, σχεδίασαν και ετοίμασαν μια τρισδιάστατη δομή δικτύου γραφενίου με κλίση βασισμένη σε μια προ-συμπιεσμένη πορώδη μεμβράνη μελαμίνης . Αυτό το δίκτυο γραφενίου με κλίση, το οποίο είναι αραιό εσωτερικά και πυκνό εξωτερικά, μπορεί να σχηματίσει μια ακτινική τριχοειδή διαφορά δύναμης, η οποία προάγει την ακτινική μεταφορά της άλμης. Καθώς ο ατμός συνεχίζει να παράγεται, η ακτινική ροή της άλμης αυξάνει τη συγκέντρωση της άλμης στην εξωτερική επιφάνεια, προκαλώντας την κρυστάλλωση του αλατιού κατευθυντικά στην εξωτερική επιφάνεια και όχι στην εσωτερική επιφάνεια. Αυτός ο σχεδιασμός διασφαλίζει ότι η εσωτερική επιφάνεια του εξατμιστή διατηρεί επαρκή περιοχή εξάτμισης, επιτυγχάνοντας έτσι αποτελεσματική και σταθερή ηλιακή εξάτμιση.
Αξίζει να αναφέρουμε ότι ο εξατμιστής χρησιμοποιεί ολόκληρη την εξωτερική του επιφάνεια για κρυστάλλωση αλατιού, κάνοντας την περιοχή κρυστάλλωσης πολύ μεγαλύτερη από άλλους κατευθυντικούς εξατμιστές κρυστάλλωσης.
Οι κρύσταλλοι αλατιού αποτελούνται κυρίως από χαλαρά συσκευασμένους κρυστάλλους αλατιού με άφθονους πόρους, οι οποίοι είναι ευεργετικοί για τη μεταφορά της άλμης και την απελευθέρωση ατμού.
Επιπλέον, λόγω του φαινομένου ψύξης με εξάτμιση, η θερμοκρασία επιφάνειας του στρώματος άλατος είναι χαμηλότερη από τη θερμοκρασία περιβάλλοντος. Αυτό το χαρακτηριστικό επιτρέπει στον εξατμιστή να απορροφά περισσότερη ενέργεια από το περιβάλλον, βελτιώνοντας περαιτέρω την απόδοση της εξάτμισης.
Πηγή άρθρου: Deep Tech
Η ερευνητική ομάδα: Shandong First Medical University Team Research Group
Το άρθρο παρατίθεται από: https://www.163.com/dy/article/J1RENDEH05119734.html
Για περισσότερες πληροφορίες σχετικά με τον αφρό μελαμίνης SINOYQX, επικοινωνήστε μαζί μας στο [email protected] ή τηλεφωνήστε μας στο: +86-28-8411-1861.
Ορισμένες εικόνες και κείμενα αναπαράγονται από το Διαδίκτυο και τα πνευματικά δικαιώματα ανήκουν στον αρχικό δημιουργό. Εάν υπάρχει οποιαδήποτε παράβαση, επικοινωνήστε μαζί μας για διαγραφή.