Solární mezifázové odpařování (SIE) je považováno za jednu z nejslibnějších technologií pro zmírnění nedostatku sladké vody díky své schopnosti efektivně využívat sluneční energii k výrobě sladké vody. Solární odpařovače mají navíc jedinečné výhody při čištění koncentrované slané odpadní vody . Proces odpařování produkuje jako vedlejší produkt pouze krystaly soli, čímž se dosahuje nulového vypouštění kapaliny. Hromadění soli ve odpařovači však brání absorpci světla a ovlivňuje únik páry, což v konečném důsledku vede ke snížení odpařovacího výkonu odpařovače nebo dokonce k jeho selhání.
Aby se tento problém zmírnil, někteří výzkumníci navrhli strategii „cirkulace soli“. To znamená, že pro roztok je navržena cirkulační cesta, která umožní solným iontům proudit zpět do solanky, čímž se zabrání krystalizaci soli na odpařovacím povrchu, čímž se dosáhne kontinuálního a stabilního odpařování. Tato metoda však způsobí zvýšení slanosti roztoku a problém krystalizace soli je stále nevyhnutelný.
Dalším řešením je strategie „vysolování“. To znamená, že struktura je regulována tak, že sůl přednostně krystalizuje v neodpařovací oblasti, čímž se snižuje dopad krystalizace soli na odpařovací výkon, čímž se dosáhne současného shromažďování soli a sladké vody. Strategie „vysolování“ však stále čelí některým vážným problémům při praktické aplikaci.
Za prvé, jednorozměrný transport solanky omezuje absorpční kapacitu a výrazně snižuje celkovou rychlost odpařování. Za druhé, strategie krystalizace soli vyžaduje pravidelné odstraňování krystalů soli, které kvůli své silné adhezi obtížně automaticky odpadávají z povrchu výparníku. Pokud se usazená sůl neodstraní včas, výkon odpařování se nevyhnutelně sníží. Mnoho vysoce účinných solárních výparníků navíc vyžaduje nebezpečné nebo časově náročné procesy přípravy, jako je vysokotlaké, nízkovakuové nebo vysokoteplotní tepelné zpracování.
Proto je vývoj odolného solárního výparníku pro dosažení dlouhodobého, účinného a stabilního odpařování vody a sběru soli pomocí jednoduchého procesu přípravy pro odsolování s nulovým vypouštěním kapalin nedosaženým vědeckým cílem.
Na základě výše uvedených výzev připravil výzkumný tým Shandong First Medical University trojrozměrný gradientní grafenový spirálový aerogelový výparník, který může dosáhnout efektivního solárního odpařování slané vody s vysokou koncentrací a dosáhnout nulového výboje kapaliny.
Aby byly splněny přísné požadavky na solární výparníky, pokud jde o účinnou solární absorpci, plné využití energie, vynikající odolnost vůči solím a dlouhodobou stabilitu, návrh projektu se zaměřuje především na následující čtyři klíčové body:
Zaměřte se na strukturální design a zvýšení chemické stability
Výparník musí mít silnou síťovou strukturu a chemickou stabilitu, což je klíčové pro dosažení dlouhodobého, efektivního a stabilního solárního odsolování. Proto zvolili jako nosnou kostru solárního výparníku nízkonákladovou, superhydrofilní, vysoce porézní a vysoce odolnou melaminovou pěnu .
Poté studovali mechanické vlastnosti grafenových aerogelů s melaminovou pěnou jako kostrou v několika režimech, včetně komprese, ohybu a tahu, aby komplexně vyhodnotili jejich mechanické vlastnosti.
Aby bylo možné dále ověřit jeho robustnost a trvanlivost za skutečných podmínek použití, provedl výzkumný tým testy v různých extrémních podmínkách.
Konkrétně vzorek opakovaně 20krát ohýbali ve vzduchu a ve vodě, namočili ho v kyselých a alkalických roztocích a umístili ho do náročných prostředí, jako je vysoká teplota a ultrazvukové míchání.
Po těchto přísných testech nezjistili žádné významné změny ve vzhledu a mikrostruktuře vzorku, což plně prokázalo jeho vynikající trvanlivost a strukturální stabilitu.
Zaměření na zjednodušení a ekonomické zlepšení výrobních procesů
Aby bylo dosaženo jednoduchosti a hospodárnosti procesu výroby výparníku a aby se zabránilo použití drahého zařízení, navrhli následující kroky přípravy:
Prvním krokem je lisování za tepla
Pomocí technologie lisování za tepla výzkumný tým stlačil melaminové pěny různých tlouštěk, aby získal předlisovaný melaminový film o tloušťce 1 mm.
Během tohoto procesu, jak se zvětšuje poměr původní tloušťky vzorku k konečné stlačené tloušťce, se velikost pórů předlisované melaminové fólie jemně reguluje od 150 μm do 20 μm , čímž se vytváří jedinečná trojrozměrná gradientní síťová struktura.
Druhým krokem je povrchový nástřik
Pomocí rozprašovače rovnoměrně nastříkejte suspenzi oxidu grafenu na povrch předlisované melaminové fólie . Bylo dosaženo rovnoměrného rozložení oxidu grafenu ve fólii, což položilo základ pro následnou solární redukci.
Třetím krokem je sušení za atmosférického tlaku
Po nastříkání umístili fólii přímo do vzduchu pro přirozené sušení na vzduchu. Tento krok se vyhne složitým, časově a energeticky náročným procesům přípravy, jako je lyofilizace, superkritické sušení a výměna rozpouštědla.
Čtvrtým krokem je redukce slunečního záření
To znamená, že pomocí lupy zaostříte sluneční světlo na vzorek. Působením ultrafialových paprsků se barva povrchu vzorku rychle změní z hnědé na černou, což naznačuje, že oxid grafenu byl úspěšně redukován na oxid grafenu redukovaný.
Tato metoda solární redukce je nejen jednoduchá na provoz a šetrná k životnímu prostředí, ale také nevyžaduje použití chemických redukčních činidel nebo vysokoteplotních tepelných redukčních procesů, což výrazně snižuje výrobní náklady a znečištění životního prostředí.
Zaměřte se na efektivní absorpci sluneční energie a minimalizaci energetických ztrát
Solární výparníky musí nejen absorbovat a přeměňovat široké spektrum sluneční energie na tepelnou energii, ale také minimalizovat energetické ztráty způsobené difúzním odrazem a tepelným zářením a zachytávat další energii z okolí. Proces odpařování na solárním rozhraní je řízen třemi energetickými toky: vstupem solární energie, výdejem odpařovací energie a energií rozptýlenou do okolí.
Bohužel konvenční dvourozměrné solární výparníky čelí problémům s rozptylem energie v důsledku výměny tepla s okolním prostředím, což ztěžuje dosažení ideální 100% účinnosti přeměny slunce na páru. Naproti tomu trojrozměrné solární výparníky mohou prolomit teoretickou hranici účinnosti přeměny slunce na páru.
Aby se snížily ztráty energie způsobené difúzním odrazem a tepelným zářením na horním povrchu trojrozměrného vzorku, tým navrhl trojrozměrný spirálový konkávní grafenový aerogel.
Tato struktura má nejen vyšší pohltivost a nižší odrazivost, ale její boční stěny jsou také schopny absorbovat okolní teplo a teplo difúzně odrážené ode dna, čímž umožňují efektivní rekuperaci energie.
Zaměřte se na optimalizaci tolerance soli a řízení krystalizace soli
To jest; navržením unikátního transportního kanálu je podporován radiální transport solanky, což vede ke směrové krystalizaci soli. Tato konstrukce nejen účinně zabraňuje usazování a ucpávání soli na povrchu výparníku, ale také realizuje efektivní sběr a využití soli, čímž výrazně zlepšuje účinnost a udržitelnost procesu odsolování.
Konkrétně navrhli a připravili trojrozměrnou gradientní grafenovou síťovou strukturu založenou na předlisované melaminové porézní fólii . Tato gradientní grafenová síť, která je uvnitř řídká a vně hustá, může vytvářet radiální rozdíl kapilárních sil, což podporuje radiální transport solanky. S pokračujícím generováním páry zvyšuje radiální tok solanky koncentraci solanky v oblasti vnějšího povrchu, což způsobuje, že sůl krystalizuje směrově na vnějším povrchu, nikoli na vnitřním. Tato konstrukce zajišťuje, že vnitřní povrch výparníku si udržuje dostatečnou odpařovací plochu, čímž se dosahuje efektivního a stabilního solárního odpařování.
Za zmínku stojí, že odparka využívá celý svůj vnější povrch pro krystalizaci soli, díky čemuž je plocha krystalizace mnohem větší než u jiných směrových krystalizačních odparek.
Krystaly soli se skládají převážně z volně uložených krystalů soli s bohatými póry, které jsou příznivé pro transport solanky a uvolňování páry.
Kromě toho je povrchová teplota solné vrstvy díky efektu chlazení odpařováním nižší než teplota okolí. Tato charakteristika umožňuje výparníku absorbovat více energie z okolního prostředí, což dále zlepšuje výkon odpařování.
Zdroj článku: Deep Tech
Výzkumná skupina: Shandong First Medical University Team Research Group
Článek je citován z: https://www.163.com/dy/article/J1RENDEH05119734.html
Pro více informací o melaminové pěně SINOYQX nás prosím kontaktujte na adrese [email protected] nebo nám napište: +86-28-8411-1861.
Některé obrázky a texty jsou reprodukovány z internetu a autorská práva náleží původnímu autorovi. Pokud dojde k nějakému porušení, kontaktujte nás, abychom je odstranili.