Com a forma sostenible d'utilitzar els recursos hídrics, la dessalinització solar té un gran potencial per resoldre el problema dels recursos d'aigua dolça insuficients i per alleujar l'escassetat d'aigua. No obstant això, la tecnologia tradicional de dessalinització d'aigua de mar sovint té problemes com ara un alt consum d'energia, equips complexos i un alt cost.
En els darrers anys, les noves tecnologies de recobriment dessalant basades en nanomaterials han atret l'atenció dels investigadors. El grafè reduït amb òxid de grafè, com a nou material bidimensional, ha mostrat un potencial important en la dessalinització solar.
En comparació amb els materials de recobriment dessalants tradicionals, rGO té els avantatges d'una excel·lent conductivitat, una gran superfície específica i una bona estabilitat química, i s'espera que millori l'eficiència de la dessalinització i redueixi el consum d'energia.
Tanmateix, el mateix rGO té problemes d'agregació i deposició, cosa que redueix la seva activitat i estabilitat. Per tant, la fixació de rGO en materials d'escuma per formar un recobriment compost d'escuma de melamina /rGO s'ha convertit en una manera eficaç de millorar l'eficiència i l'estabilitat de la dessalinització.
Mitjançant la modificació de la superfície i l'enfortiment de les propietats portadores del material d'escuma, vam fixar uniformement rGO a la superfície de l'escuma per augmentar la seva àrea de contacte amb ions de sal a l'aigua. Al mateix temps, l'estructura i el gruix del recobriment rGO es controlen per optimitzar l'eficiència i l'estabilitat de la dessalinització.
Per obtenir una comprensió més profunda del mecanisme de dessalinització, també vam preparar una escuma d'òxid de grafè reduït (rGO). L'escuma de melamina recoberta de triòxid de grafè té una microestructura porosa i una hidrofilicitat inherents, que li permeten tenir una bona humectabilitat i pot atraure aigua a la zona d'evaporació, permetent que l'aigua es reompli ràpidament i s'evita la precipitació de sal.
El sistema d'evaporació interfacial de l'escuma de melamina recoberta d'òxid de grafè pot aconseguir una eficiència d'evaporació en estat estacionari del 89.6% amb combustible solar d'1kW m−2. Aquest sistema d'evaporació interfacial té una alta eficiència de conversió solar a calor i una bona estabilitat a llarg termini, mostrant un potencial per a la dessalinització comercial d'aigua de mar.
En l'actualitat, la crisi energètica mundial i l'escassetat d'aigua s'han convertit en grans amenaces per al desenvolupament sostenible de la societat humana. Per satisfer la creixent demanda d'energia, el desenvolupament de diverses tecnologies de conversió d'energia i purificació d'aigua d'alt rendiment ha rebut una atenció creixent.
Tecnologia d'evaporació interfacial amb energia solar
Com a font d'energia renovable prometedora, l'energia solar es deu a la seva capacitat ultra gran, universalitat, neteja i capacitat de conversió multifuncional. Ha demostrat el potencial de substituir els combustibles fòssils retinguts per combustibles fòssils.
A més de la tecnologia solar fotovoltaica que genera directament energia elèctrica, la tecnologia de conversió d'energia solar-tèrmica també absorbeix l'energia solar i la converteix en energia tèrmica, que es considera una forma senzilla i eficaç d'utilitzar l'energia solar.
L'energia tèrmica convertida a partir de l'energia solar pot impulsar processos industrials importants, com ara centrals tèrmiques solars, dessalinització solar, esterilització, sistemes solars d'escalfament d'aigua i altres aplicacions relacionades amb la calor. La dessalinització solar ofereix una solució eficaç, especialment per a zones sense infraestructura, perquè pot extreure aigua dolça de l'aigua de mar sense aportar energia addicional.
En els últims anys, la tecnologia d'evaporació interfacial impulsada pel solar localitza el procés de conversió de calor solar a la interfície líquid-vapor i s'ha convertit en una nova tecnologia d'utilització de l'energia solar. En comparació amb la calefacció integral tradicional, els sistemes d'evaporació interfacial presenten una major eficiència d'evaporació i una resposta tèrmica més ràpida i són una alternativa potencial per a la dessalinització d'aigua de mar.
Fins ara, s'han realitzat molts estudis sobre la millora del rendiment tèrmic dels sistemes d'evaporació interfacial. Un típic sistema d'evaporació interfacial impulsat pel solar consta de tres parts importants:
Un absorbent solar amb alta absorció solar i que converteix de manera eficient la radiació solar en energia tèrmica; un aïllant que transfereix la calor convertida a l'aigua a granel; i un camí de subministrament d'aigua que treu aigua contínuament des de l'aigua a granel fins a la superfície de l'absorbidor solar.
En estudis anteriors, un gran nombre d'investigadors s'han dedicat a millorar l'eficiència general de la conversió solar a vapor sintetitzant materials d'absorció d'energia solar i de banda ampla, optimitzant el disseny de noves vies de subministrament d'aigua i millorant les estructures d'aïllament tèrmic.
Fins ara, els sistemes d'evaporació interfacial impulsats per solar s'han utilitzat en molts processos industrials, destil·lació solar induïda, esterilització solar, dessalinització solar i generació d'energia solar. Per aconseguir un alt rendiment d'evaporació del sistema, és important explorar l'absorció de banda ampla a través de l'espectre solar dels materials absorbents solars.
Els materials absorbents d'energia solar desenvolupats i explorats en sistemes d'evaporació interfacial impulsats pel solar inclouen principalment materials carbonosos, partícules plasmòniques i materials absorbents espectralment selectius. Entre ells, els materials naturals negres i carbonosos tenen una forta capacitat de conversió de calor solar i són adequats per a absorbents solars de banda ampla i d'alta intensitat.
A causa de la seva alta taxa d'absorció solar, baix cost i bona estabilitat, s'han estudiat molts absorbents solars basats en carboni, inclosos els nanotubs de carboni, el grafit i l'òxid de grafè reduït. Després d'anys de desenvolupament, l'eficiència de conversió solar a vapor del sistema a la llum del dia ha arribat a més del 90%.
Tot i que hi ha hagut grans millores en el desenvolupament de materials que absorbeixen l'energia solar i el disseny d'estructures d'evaporació interfacials, la majoria dels dispositius de dessalinització solar informats anteriorment es van deure a l'acumulació de sal a la superfície superior de l'evaporador durant el procés de dessalinització. La sal acumulada bloqueja l'absorció solar i bloqueja l'evaporador porós, donant lloc a una baixa eficiència de conversió solar a calor i un baix rendiment d'evaporació.
Els mètodes físics tradicionals com les ones ultrasòniques i la immersió en aigua s'utilitzen generalment per eliminar les sals acumulades, però aquests mètodes poden causar fàcilment danys a l'estructura d'evaporació de la interfície.
Per reduir l'acumulació de sal en els sistemes d'evaporació interfacial, molts estudis s'han centrat a desenvolupar l'evaporació hidrofòbica. Tanmateix, els evaporadors hidròfobs limiten el subministrament d'aigua a la superfície superior, reduint així el rendiment evaporatiu del sistema. Una altra manera de resoldre aquest problema és utilitzar un evaporador hidròfil, que mou l'excés de sal de la superfície superior a l'aigua a granel.
Fins ara, molts estudis s'han centrat en el disseny d'evaporadors hidròfils, com ara membranes de teixit de cel·lulosa hidròfila, membranes hidròfiles a base de paper i evaporadors bio-inspirats. Però desenvolupar un sistema d'evaporació interfacial impulsat pel sol, estable i altament eficient a llarg termini continua sent un repte important.
En aquest estudi, demostrem una escuma d'òxid de grafè reduït (rGO) resistent a la sal, altament eficient que absorbeix el sol i de resposta tèrmica ràpida per a la dessalinització interfacial impulsada pel solar sota il·luminació solar de baixa fluorescència.
En la nova estructura porosa, es va escollir com a base l'escuma de melamina hidròfila (MF) , que no només amplia la superfície d'absorció solar, sinó que també millora la dispersió múltiple.
La hidrofilicitat superficial i la porositat de l'escuma de melamina recoberta d'òxid de grafè reduït proporcionen una humectació i fusió suficients de la zona de conversió de calor solar, així com una ràpida reposició d'aigua, alhora que s'evita l'acumulació de sals.
Aprofitant l'alt rendiment de l'escuma de melamina recoberta d'òxid de grafè reduït, el sistema interfacial d'energia solar és capaç d'aconseguir una taxa de conversió solar a vapor del 89.6%.
A més, mitjançant la integració d'escuma de melamina recoberta d'òxid de grafè reduït a l'energia solar comercial, vam dissenyar i fabricar un dispositiu de dessalinització d'aigua de mar interfacial impulsat per energia solar amb una eficiència de conversió solar a aigua del 56.4% sota la llum del dia. A causa de la dessalinització solar, l'aigua neta recollida és de qualitat potable.
Amb un rendiment d'evaporació superior i escalabilitat dels materials de conversió solar a tèrmica, aquest sistema per a la dessalinització d'aigua de mar interfacial impulsada pel solar presenta àmplies perspectives d'aplicació en aplicacions pràctiques de dessalinització d'aigua de mar.
Escalabilitat dels materials de transferència de calor de dessalinització solar
Un sistema d'evaporació interfacial basat en escuma de melamina recoberta d'òxid de grafè reduït. L'escuma de melamina recoberta d'òxid de grafè es troba al mig i està embolicada per una capa d'escuma de polietilè (PE) a l'exterior per construir un sistema d'evaporació interfacial d'autobombolla.
L'escuma de melamina recoberta d'òxid de grafè reduït en tel·luri s'utilitza per absorbir ràpidament la radiació solar incident, convertir l'energia solar en calor i generar una força motriu per a l'evaporació interfacial. D'altra banda, l'escuma de melamina recoberta d'òxid de grafè hidròfil reduït pot atraure contínuament salmorra a la zona d'evaporació.
L'estructura porosa de l'escuma de melamina recoberta de triòxid de grafè permet que el vapor generat escapi a l'entorn, afavorint la captura de la llum solar i augmentant així l'eficiència de la conversió solar a calor. L'escuma de melamina recoberta d'òxid de grafè reduït és porosa i hidròfila, la qual cosa li permet atraure aigua a l'estructura d'evaporació descrita anteriorment mentre simultàniament descompon les sals concentrades a l'aigua de mar a granel.
Durant el procés d'evaporació, la concentració de sal a l'escuma és més alta que la concentració d'aigua de mar al fons. Els canvis de concentració fan que la sal es descompongui en aigua a granel. A més, l'escuma de polietilè circumdant no només redueix l' escuma de melamina recoberta d'òxid de grafè , sinó que també s'acumula naturalment a la superfície de l'aigua, inhibint la pèrdua de calor causada per l'aigua salada circumdant.
Els sistemes d'evaporació d'interfície poden funcionar de manera contínua i eficient a les superfícies d'aigua sense necessitat de dissenys de construcció complexos. A més, com que l'evaporació es produeix a la interfície gas-líquid, el sistema d'evaporació interfacial es pot moure de manera autònoma quan la interfície retrocedeix.
L'escuma de melamina recoberta d'òxid de grafè reduït en tel·li és un component clau del sistema d'evaporació interfacial. L'escuma de melamina es va submergir en una suspensió col·loïdal d'òxid de grafè per preparar escuma de melamina recoberta d'òxid de grafè reduït, i després l'òxid de grafè es va reduir a òxid de grafèna reduït mitjançant un mètode hidrotèrmic.
L'escuma de melamina recoberta d'òxid de grafè reduït amb un diàmetre de 3.5 cm i un gruix d'1.6 cm és fàcil de fabricar i el seu color és negre profund.
La rugositat de la superfície del material d'escuma de melamina recobert d'òxid de grafè reduït observada mitjançant un microscopi òptic tridimensional va mostrar una variació d'alçada de més de 300 μm. L'estructura superficial rugosa dels compostos de conversió tèrmica solar s'atribueix principalment a l'estructura porosa de l'escuma de melamina, i l'òxid de grafè reduït modificat també augmenta la rugositat superficial.
La rugositat de la superfície amplifica la superfície d'absorció solar alhora que augmenta la dispersió múltiple de la llum solar incident, millorant així l'eficiència de conversió solar a calor del sistema. Microestructura de l'escuma de melamina preparada a diferents augments. La superfície d'escuma de melamina recoberta d'òxid de grafè presenta una estructura de xarxa arrugada i interconnectada.
La mida dels porus de l'escuma de melamina recoberta de rGO és d'entre 20 i 40 μm. L'estructura de porus oberts i la superfície arrugada faciliten la deposició d'òxid de grafè. L'escuma de melamina recoberta d'òxid de grafè reduït té una bona humectabilitat de l'aigua a causa de la hidrofilicitat de l'escuma de melamina porosa.
Una vegada que una gota d'aigua toca la superfície de l'escuma de melamina recoberta d'òxid de grafè reduït, s'absorbeix completament en 0.5 segons. La superfície hidròfila dels compostos d'òxid de grafè reduït pot guiar ràpidament el drenatge dins de l'estructura porosa. La porositat de l'escuma de melamina recoberta d'òxid de grafè reduït es va determinar comparant els canvis de massa abans i després de l'absorció d'aigua.
La porositat de l'escuma de melamina recoberta d'òxid de grafè pot arribar al 85.55%. L'absorció d'energia solar per escuma de melamina recoberta d'òxid de grafè reduït afecta directament l'eficiència de conversió solar a calor del sistema. Per avaluar la resistència a la sal, es va col·locar escuma de melamina recoberta d'òxid de grafè reduït en una solució de clorur de sodi (3.5% en pes).
A continuació, es van col·locar 3 g de clorur sòlid de sodi a la superfície superior i es va col·locar l'escuma de melamina recoberta de Tergo a una densitat solar d'1 kW m−2. La quantitat de sal sòlida es dissol gradualment després de 120 minuts.
Quan la llum solar incideix sobre la superfície superior de l' escuma de melamina recoberta de rGO , la temperatura d'aquesta augmenta ràpidament en qüestió de minuts i es manté a 35 °C durant tot el procés d'evaporació. Com que la solubilitat de la sal depèn de la temperatura, com més alta sigui la temperatura, més ràpid es dissol la sal i, per tant, el ferro de la sal es pot redissoldre a l'aigua superficial.
En l'escuma de melamina recoberta d'òxid de grafè reduït, que té nombrosos porus amb una gran capacitat d'absorció d'aigua que poden proporcionar un subministrament continu d'aigua a la superfície superior, les sals es poden moure de la superfície superior a la subcapa d'aigua. Els canvis de temperatura provoquen canvis de salinitat entre la superfície d'evaporació superior i el cos.
Per obtenir una absorció d'energia solar de banda ampla i eficient, l'escuma de melamina es va modificar amb escuma de melamina hidròfila porosa, augmentant així la superfície d'absorció solar i augmentant la dispersió múltiple.
El sistema d'evaporació interfacial solar basat en escuma de melamina recoberta de rGO presenta una ràpida resposta tèrmica a una densitat d'energia solar d'1 kW m−2, aconseguint una eficiència de conversió tèrmica solar en estat estacionari del 89.6%.
Finalment, vam integrar un evaporador d'escuma de melamina recobert d'òxid de grafè reduït en un alambin solar, que pot produir un 56.4% d'aigua potable amb acumulació de sal a 1 kW m−2.
Preveiem que aquest dispositiu de dessalació interfacial alimentat amb energia solar es podria utilitzar a illes aïllades o a l'oceà per recollir aigua potable d'aigua de mar abundant o altres recursos d'aigua salada.
Conclusió
Desalinització L'escuma de melamina recoberta de rGO, com a tecnologia de dessalinització solar innovadora i eficient, té un gran potencial i perspectives d'aplicació. No només pot proporcionar recursos d'aigua dolça fiables per a zones amb escassetat d'aigua, sinó que també pot reduir la dependència de l'energia tradicional, reduir el consum d'energia i la contaminació ambiental.
Els resultats d'aquesta investigació faran una contribució important per resoldre el problema global de l'escassetat de recursos d'aigua dolça i promoure la realització del desenvolupament sostenible.
Per obtenir més informació sobre l'escuma de melamina SINOYQX, poseu-vos en contacte amb nosaltres a [email protected] o envieu-nos un missatge de veu: +86-28-8411-1861.
Algunes imatges i textos es reprodueixen d'Internet i els drets d'autor pertanyen a l'autor original. Si hi ha alguna infracció, poseu-vos en contacte amb nosaltres per eliminar-la.