Як устойлівы спосаб выкарыстання водных рэсурсаў, сонечнае апрасненне мае вялікі патэнцыял у вырашэнні праблемы недастатковасці рэсурсаў прэснай вады і змяншэнні яе дэфіцыту. Аднак традыцыйныя тэхналогіі апраснення марской вады часта маюць такія праблемы, як высокае спажыванне энергіі, складанае абсталяванне і высокі кошт.
У апошнія гады новыя тэхналогіі апрасняльных пакрыццяў на аснове нанаматэрыялаў паступова прыцягваюць увагу даследчыкаў. Графен, адноўлены аксідам графену, як новы двухмерны матэрыял, прадэманстраваў значны патэнцыял у сонечным апрасненні.
У параўнанні з традыцыйнымі матэрыяламі для апраснення, rGO мае перавагі выдатнай праводнасці, высокай удзельнай паверхні і добрай хімічнай стабільнасці, і, як чакаецца, палепшыць эфектыўнасць апраснення і знізіць спажыванне энергіі.
Аднак сам rGO мае праблемы з агрэгацыяй і адкладам, што зніжае яго актыўнасць і стабільнасць. Таму фіксацыя rGO на пенапластавых матэрыялах для ўтварэння кампазітнага пакрыцця з меламінавай пены /rGO стала эфектыўным спосабам павышэння эфектыўнасці і стабільнасці апраснення.
Шляхам мадыфікацыі паверхні і ўзмацнення апорных уласцівасцей пенапласту мы раўнамерна зафіксавалі rGO на паверхні пенапласту, каб павялічыць яго плошчу кантакту з іонамі солі ў вадзе. Адначасова структура і таўшчыня пакрыцця rGO кантралююцца для аптымізацыі эфектыўнасці і стабільнасці апраснення.
Каб глыбей зразумець механізм апраснення, мы таксама падрыхтавалі пену з адноўленага аксіду графену (rGO). Меламінавая пена з пакрыццём трыаксідам графену мае ўласцівую сітаватую мікраструктуру і гідрафільнасць, што дазваляе ёй добра змочвацца і прыцягваць ваду ў зону выпарэння, што дазваляе хутка папаўняць запасы вады, пазбягаючы выпадзення солі.
Сістэма міжфазнага выпарэння з меламінавай пены, пакрытай аксідам графену, можа дасягнуць эфектыўнасці выпарэння ў стацыянарным рэжыме 89.6% пры выкарыстанні сонечнага паліва магутнасцю 1 кВт·м⁻². Гэтая сістэма міжфазнага выпарэння мае высокую эфектыўнасць пераўтварэння сонечнай энергіі ў цяпло і добрую доўгатэрміновую стабільнасць, што сведчыць аб патэнцыяле для камерцыйнага апраснення марской вады.
У цяперашні час глабальны энергетычны крызіс і дэфіцыт вады сталі сур'ёзнымі пагрозамі для ўстойлівага развіцця чалавечага грамадства. Для задавальнення расце попыту на энергію ўсё большая ўвага надаецца распрацоўцы розных высокаэфектыўных тэхналогій пераўтварэння энергіі і ачысткі вады.
Тэхналогія міжфазнага выпарэння з дапамогай сонечнай энергіі
Сонечная энергія, як перспектыўная аднаўляльная крыніца энергіі, абумоўлена сваёй звышвялікай магутнасцю, універсальнасцю, чысцінёй і шматфункцыянальнымі магчымасцямі пераўтварэння. Яна прадэманстравала патэнцыял для замены выкапнёвага паліва, якое захоўваецца выкапнёвым палівам.
Акрамя таго, што сонечная фотаэлектрычная тэхналогія непасрэдна выпрацоўвае электрычную энергію, тэхналогія пераўтварэння сонечна-цеплавой энергіі таксама паглынае сонечную энергію і пераўтварае яе ў цеплавую энергію, што лічыцца простым і эфектыўным спосабам выкарыстання сонечнай энергіі.
Цеплавая энергія, пераўтвораная з сонечнай энергіі, можа забяспечваць працу важных прамысловых працэсаў, такіх як сонечныя цеплавыя электрастанцыі, сонечнае апрасненне, стэрылізацыя, сонечныя сістэмы нагрэву вады і іншыя прымянення, звязаныя з цяплом. Сонечнае апрасненне прапануе эфектыўнае рашэнне, асабліва для раёнаў без інфраструктуры, паколькі яно дазваляе здабываць прэсную ваду з марской вады без дадатковых энергетычных затрат.
У апошнія гады тэхналогія міжфазнага выпарэння з выкарыстаннем сонечнай энергіі дазваляе размясціць працэс пераўтварэння сонечнага цяпла на мяжы паміж вадкасцю і парай і стала новай тэхналогіяй выкарыстання сонечнай энергіі. У параўнанні з традыцыйным інтэгральным награваннем, сістэмы міжфазнага выпарэння дэманструюць больш высокую эфектыўнасць выпарэння і хутчэйшую цеплавую рэакцыю, і з'яўляюцца патэнцыйнай альтэрнатывай апрасненню марской вады.
Да гэтага часу было праведзена шмат даследаванняў па паляпшэнні цеплавых характарыстык сістэм міжфазнага выпарэння. Тыповая сістэма міжфазнага выпарэння, якая працуе на сонечнай энергіі, складаецца з трох важных частак:
Сонечны паглынальнік з высокім узроўнем паглынання сонечнай энергіі, які эфектыўна пераўтварае сонечнае выпраменьванне ў цеплавую энергію; ізалятар, які перадае пераўтворанае цяпло вадзе; і шлях падачы вады, які бесперапынна адсмоктвае ваду з вады на паверхню сонечнага паглынальніка.
У папярэдніх даследаваннях вялікая колькасць даследчыкаў прысвяціла сябе павышэнню агульнай эфектыўнасці пераўтварэння сонечнай энергіі ў пару шляхам сінтэзу шырокапалосных і паглынальных сонечнай энергіі матэрыялаў, аптымізацыі канструкцыі новых шляхоў водазабеспячэння і ўдасканалення цеплаізаляцыйных канструкцый.
Да гэтага часу сістэмы міжфазнага выпарэння з выкарыстаннем сонечнай энергіі выкарыстоўваліся ў многіх прамысловых працэсах, такіх як індукаваная сонечная дыстыляцыя, сонечная стэрылізацыя, сонечнае апрасненне і вытворчасць сонечнай энергіі. Для дасягнення высокай эфектыўнасці выпарэння важна даследаваць шырокапалоснае паглынанне па ўсім сонечным спектры сонечнапаглынальных матэрыялаў.
Паглынальныя сонечную энергію матэрыялы, распрацаваныя і даследаваныя ў сістэмах міжфазнага выпарэння, якія працуюць на сонечнай энергіі, у асноўным уключаюць вугляродныя матэрыялы, плазмонныя часціцы і спектральна селектыўныя паглынальныя матэрыялы. Сярод іх натуральныя чорныя і вугляродныя матэрыялы валодаюць высокай здольнасцю пераўтварэння сонечнага цяпла і падыходзяць для шырокапалосных і высокаінтэнсіўных сонечных паглынальнікаў.
Дзякуючы высокаму каэфіцыенту паглынання сонечнай энергіі, нізкай кошту і добрай стабільнасці, было вывучана мноства сонечных паглынальнікаў на аснове вугляроду, у тым ліку вугляродныя нанатрубкі, графіт і адноўлены аксід графену. Пасля гадоў распрацоўкі эфектыўнасць пераўтварэння сонечнай энергіі ў пару пры дзённым святле дасягнула больш за 90%.
Нягледзячы на значны прагрэс у распрацоўцы матэрыялаў, якія паглынаюць сонечную энергію, і праектаванні міжфазных выпарных структур, большасць раней апісаных прылад для сонечнага апраснення былі выкліканыя назапашваннем солі на верхняй паверхні выпарніка падчас працэсу апраснення. Назапашаная соль блакуе паглынанне сонечнай энергіі і блакуе сітаваты выпарнік, што прыводзіць да нізкай эфектыўнасці пераўтварэння сонечнай энергіі ў цяпло і дрэнных паказчыкаў выпарэння.
Для выдалення назапашаных соляў звычайна выкарыстоўваюцца традыцыйныя фізічныя метады, такія як ультрагукавыя хвалі і апусканне ў ваду, але гэтыя метады могуць лёгка пашкодзіць структуру выпарэння на паверхні падзелу.
Каб паменшыць назапашванне солі ў сістэмах міжфазнага выпарэння, многія даследаванні былі сканцэнтраваны на распрацоўцы гідрафобнага выпарэння. Аднак гідрафобныя выпарнікі абмяжоўваюць падачу вады да верхняй паверхні, тым самым зніжаючы выпарную прадукцыйнасць сістэмы. Іншы спосаб вырашэння гэтай праблемы - выкарыстоўваць гідрафільны выпарнік, які перамяшчае лішнюю соль з верхняй паверхні ў асноўную ваду.
На сённяшні дзень шматлікія даследаванні былі сканцэнтраваны на распрацоўцы гідрафільных выпарнікаў, такіх як гідрафільныя цэлюлозныя тканевыя мембраны, папяровыя гідрафільныя мембраны і біяінспіраваныя выпарнікі. Але распрацоўка доўгатэрміновай стабільнай і высокаэфектыўнай сістэмы міжфазнага выпарэння з выкарыстаннем сонечнай энергіі застаецца значнай праблемай.
У гэтым даследаванні мы дэманструем солеўстойлівую, высокаэфектыўную сонечна-паглынальную і хутка рэагуючую на тэмпературу пену на аснове адноўленага аксіду графену (rGO) для апраснення паверхні пад уздзеяннем сонечнай энергіі пры нізкафлуарэсцэнтным сонечным асвятленні.
У новай порыстай структуры ў якасці асновы была абраная гідрафільная меламінавая пена (МП) , якая не толькі пашырае плошчу паверхні для паглынання сонечнага выпраменьвання, але і ўзмацняе шматразовае рассейванне.
Гідрафільнасць паверхні і парыстасць меламінавай пены, пакрытай адноўленым аксідам графену, забяспечваюць дастатковае змочванне і сплаўленне зоны пераўтварэння сонечнага цяпла, а таксама хуткае папаўненне вады, пазбягаючы назапашвання соляў.
Карыстаючыся высокай прадукцыйнасцю меламінавай пены з пакрыццём з адноўленага аксіду графену, сістэма міжфазнага пераходу на сонечнай энергіі здольная дасягнуць каэфіцыента пераўтварэння сонечнай энергіі ў пару на ўзроўні 89.6%.
Акрамя таго, інтэгруючы меламінавую пену з пакрыццём адноўленым аксідам графену ў камерцыйную сонечную энергію, мы распрацавалі і вырабілі прыладу для апраснення марской вады на мяжы паверхні з дапамогай сонечнай энергіі і эфектыўнасцю пераўтварэння сонечнай энергіі ў ваду 56.4% пры дзённым святле. Дзякуючы сонечнаму апрасненню сабраная чыстая вада адпавядае патрабаванням якасці пітной.
Дзякуючы высокай прадукцыйнасці выпарэння і маштабаванасці матэрыялаў, якія пераўтвараюцца ў цеплавыя, гэтая сістэма для апраснення марской вады з дапамогай сонечнай энергіі на мяжы межфазнай паверхні мае шырокія перспектывы прымянення ў практычных ужываннях апраснення марской вады.
Маштабаванасць матэрыялаў для цеплаперадачы сонечнага апраснення
Сістэма міжфазнага выпарэння на аснове меламінавай пены з адноўленым пакрыццём з аксіду графену. Меламінавая пена з пакрыццём з аксіду графену знаходзіцца пасярэдзіне і звонку абгорнута пластом поліэтыленавай (ПЭ) пены для стварэння сістэмы міжфазнага выпарэння з самабульбашкамі.
Меламінавая пена, пакрытая аксідам графену з аднаўленнем тэлуру, выкарыстоўваецца для хуткага паглынання падаючай сонечнай радыяцыі, пераўтварэння сонечнай энергіі ў цяпло і стварэння рухаючай сілы для міжфазнага выпарэння. З іншага боку, гідрафільная меламінавая пена, пакрытая аднаўленнем аксіду графену, можа бесперапынна ўцягваць расол у зону выпарэння.
Парыстая структура меламінавай пены з пакрыццём трыаксідам графену дазваляе ўтваранай пары выходзіць у навакольнае асяроддзе, спрыяючы захопу сонечнага святла і тым самым павялічваючы эфектыўнасць пераўтварэння сонечнай энергіі ў цяпло. Пакрытая адноўленым аксідам графену меламінавая пена з'яўляецца порыстай і гідрафільнай, што дазваляе ёй прыцягваць ваду ў апісаную вышэй структуру выпарэння, адначасова расшчапляючы канцэнтраваныя солі назад у асноўную масу марской вады.
Падчас выпарэння канцэнтрацыя солі ў пене вышэйшая за канцэнтрацыю марской вады на дне. Змены канцэнтрацыі прыводзяць да раскладання солі на ваду. Акрамя таго, поліэтыленавая пена вакол не толькі памяншае пакрыццё меламінавай пенай з аксідам графену , але і натуральным чынам збіраецца на паверхні вады, перашкаджаючы стратам цяпла, выкліканым навакольнай салёнай вадой.
Сістэмы міжфазнага выпарэння могуць бесперапынна і эфектыўна працаваць на паверхні вады без неабходнасці складаных канструкцый. Акрамя таго, паколькі выпарэнне адбываецца на мяжы газ-вадкасць, сістэма міжфазнага выпарэння можа рухацца аўтаномна, калі мяжа аддаляецца.
Меламінавая пена з пакрыццём аксідам графену, адноўленым тэлурам, з'яўляецца ключавым кампанентам сістэмы міжфазнага выпарэння. Для атрымання адноўленай меламінавай пены з пакрыццём аксідам графену меламінавую пену апускалі ў калоідную суспензію аксіду графену, а затым аксід графену аднаўлялі да адноўленага аксіду графаміну з выкарыстаннем гідратэрмальнага метаду.
Меламінавая пена з пакрыццём з адноўленага аксіду графену дыяметрам 3.5 см і таўшчынёй 1.6 см лёгка вырабляецца, а яе колер — насычаны чорны.
Шурпатасць паверхні меламінавага пенапласту, пакрытага адноўленым аксідам графену, якая назіралася з дапамогай трохмернага аптычнага мікраскопа, паказала варыяцыю вышыні больш за 300 мкм. Шурпатая структура паверхні кампазітаў для сонечнай цеплавой канверсіі ў асноўным абумоўлена сітаватай структурай меламінавай пены, а мадыфікаваны адноўлены аксід графену таксама павялічвае шурпатасць паверхні.
Шурпатасць паверхні павялічвае плошчу паверхні паглынання сонечнай энергіі, адначасова павялічваючы шматразовае рассейванне падаючага сонечнага святла, тым самым паляпшаючы эфектыўнасць пераўтварэння сонечнай энергіі ў цяпло ў сістэме. Мікраструктура падрыхтаванай меламінавай пены пры розных павелічэннях. Паверхня меламінавай пены, пакрытая аксідам графену, мае маршчыністую і ўзаемазвязаную сеткаватую структуру.
Памер пор меламінавай пены з пакрыццём rGO складае ад 20 да 40 мкм. Адкрытая структура пор і маршчыністая паверхня спрыяюць адкладанню аксіду графену. Меламінавая пена з адноўленым пакрыццём аксідам графену мае добрую змочвальнасць вадой дзякуючы гідрафільнасці порыстай меламінавай пены.
Як толькі кропля вады дакранаецца паверхні меламінавай пены з адноўленым аксідам графену, яна цалкам паглынаецца на працягу 0.5 секунды. Гідрафільная паверхня кампазітаў з адноўленага аксіду графену можа хутка накіроўваць дрэнаж унутры порыстай структуры. Порыстасць меламінавай пены з адноўленым аксідам графену вызначалася шляхам параўнання змяненняў масы да і пасля паглынання вады.
Парыстасць меламінавай пены з пакрыццём аксідам графену можа дасягаць 85.55%. Паглынанне сонечнай энергіі меламінавай пенай з пакрыццём адноўленым аксідам графену непасрэдна ўплывае на эфектыўнасць пераўтварэння сонечнай энергіі ў цяпло сістэмай. Для ацэнкі солеўстойлівасці меламінавую пену з пакрыццём адноўленым аксідам графену змясцілі ў раствор хларыду натрыю (3.5 мас.%).
Затым на верхнюю паверхню змясцілі 3 г цвёрдага хларыду натрыю, а пакрытую Tergo меламінавую пену змясцілі пры сонечнай шчыльнасці 1 кВт·м−2. Колькасць цвёрдай солі паступова раствараецца праз 120 хвілін.
Калі сонечнае святло падае на верхнюю паверхню меламінавай пены з пакрыццём rGO , тэмпература гэтай пены хутка павышаецца на працягу некалькіх хвілін і застаецца на ўзроўні 35°C на працягу ўсяго працэсу выпарэння. Паколькі растваральнасць солі залежыць ад тэмпературы, чым вышэй тэмпература, тым хутчэй раствараецца соль, і таму жалеза ў выглядзе солі можа зноў растварацца ў паверхневых водах.
У меламінавай пене, пакрытай адноўленым аксідам графену, якая мае шматлікія поры з высокай здольнасцю паглынаць ваду, што можа забяспечваць бесперапыннае падачу вады да верхняй паверхні, солі могуць перамяшчацца з верхняй паверхні ў падслой вады. Змены тэмпературы прыводзяць да змен салёнасці паміж верхняй паверхняй выпарэння і целам.
Для атрымання шырокапалоснага і эфектыўнага паглынання сонечнай энергіі меламінавая пена была мадыфікавана порыстай гідрафільнай меламінавай пенай, тым самым павялічваючы плошчу паверхні паглынання сонечнага выпраменьвання і павялічваючы шматразовае рассейванне.
Сонечная сістэма міжфазнага выпарэння на аснове меламінавай пены з пакрыццём rGO дэманструе хуткую цеплавую рэакцыю пры шчыльнасці сонечнай магутнасці 1 кВт м−2, дасягаючы стацыянарнай эфектыўнасці сонечнага цеплавога пераўтварэння 89.6%.
Нарэшце, мы інтэгравалі выпарнік з меламінавай пены з пакрыццём адноўленым аксідам графену ў сонечны перагонны апарат, які можа вырабляць 56.4% пітной вады з назапашваннем солі пры магутнасці 1 кВт·м−2.
Мы мяркуем, што гэтая прылада для апраснення паверхні вады, якая працуе на сонечнай энергіі, можа выкарыстоўвацца на ізаляваных астравах або ў акіяне для збору пітной вады з багатай марской вады або іншых рэсурсаў салёнай вады.
Conclusion
Апрасненне. Меламінавая пена з пакрыццём rGO, як інавацыйная і эфектыўная тэхналогія сонечнага апраснення, мае вялікі патэнцыял і перспектывы прымянення. Яна можа не толькі забяспечыць надзейнымі рэсурсамі прэснай вады для раёнаў з дэфіцытам вады, але і знізіць залежнасць ад традыцыйных крыніц энергіі, знізіць спажыванне энергіі і забруджванне навакольнага асяроддзя.
Вынікі гэтага даследавання ўнясуць важны ўклад у вырашэнне глабальнай праблемы дэфіцыту прэснаводных рэсурсаў і будуць спрыяць рэалізацыі ўстойлівага развіцця.
Каб атрымаць дадатковую інфармацыю пра меламінавую пену SINOYQX, звяжыцеся з намі па адрасе [email protected] або па тэлефоне: +86-28-8411-1861.
Некаторыя выявы і тэксты ўзяты з Інтэрнэту, і аўтарскія правы належаць першапачатковаму аўтару. Калі ёсць якія-небудзь парушэнні, калі ласка, звяжыцеся з намі, каб выдаліць.