Como unha forma sostible de utilizar os recursos hídricos, a desalinización solar ten un gran potencial para resolver o problema dos recursos insuficientes de auga doce e paliar a escaseza de auga. Non obstante, a tecnoloxía tradicional de desalinización da auga de mar adoita ter problemas como un alto consumo de enerxía, equipos complexos e custos elevados.
Nos últimos anos, as novas tecnoloxías de revestimento de desalinización baseadas en nanomateriais foron atraendo gradualmente a atención dos investigadores. O grafeno reducido con óxido de grafeno, como novo material bidimensional, mostrou un potencial significativo na desalinización solar.
En comparación cos materiais de revestimento de desalinización tradicionais, rGO ten as vantaxes dunha excelente condutividade, unha gran superficie específica e unha boa estabilidade química, e espérase que mellore a eficiencia da desalinización e reduza o consumo de enerxía.
Non obstante, o propio rGO ten problemas de agregación e deposición, o que reduce a súa actividade e estabilidade. Polo tanto, a fixación de rGO en materiais de escuma para formar un revestimento composto de escuma de melamina /rGO converteuse nun xeito eficaz de mellorar a eficiencia e a estabilidade da desalinización.
Mediante a modificación da superficie e o fortalecemento das propiedades do portador do material de escuma, fixamos uniformemente rGO na superficie da escuma para aumentar a súa área de contacto cos ións de sal na auga. Ao mesmo tempo, a estrutura e o grosor do revestimento rGO son controlados para optimizar a eficiencia e estabilidade da desalinización.
Para obter unha comprensión máis profunda do mecanismo de desalinización, tamén preparamos unha escuma de óxido de grafeno reducido (rGO). A escuma de melamina recuberta de trióxido de grafeno ten unha microestrutura porosa e hidrofilia inherentes, o que lle permite ter unha boa mollabilidade e pode atraer auga á zona de evaporación, permitindo que a auga se repoña rapidamente evitando a precipitación de sal.
O sistema de evaporación interfacial da escuma de melamina recuberta de óxido de grafeno pode acadar unha eficiencia de evaporación en estado estacionario do 89.6 % con combustible solar de 1 kW m−2. Este sistema de evaporación interfacial ten unha alta eficiencia de conversión solar a calor e unha boa estabilidade a longo prazo, mostrando potencial para a desalinización comercial da auga de mar.
Na actualidade, a crise enerxética mundial e a escaseza de auga convertéronse en grandes ameazas para o desenvolvemento sostible da sociedade humana. Para satisfacer a crecente demanda de enerxía, o desenvolvemento de varias tecnoloxías de conversión de enerxía e purificación de auga de alto rendemento recibiu unha atención cada vez maior.
Tecnoloxía de evaporación interfacial alimentada por enerxía solar
Como fonte de enerxía renovable prometedora, a enerxía solar débese á súa gran capacidade, universalidade, limpeza e capacidades de conversión multifuncional. Demostrou o potencial para substituír os combustibles fósiles retidos por combustibles fósiles.
Ademais da tecnoloxía solar fotovoltaica que xera directamente enerxía eléctrica, a tecnoloxía de conversión de enerxía solar-térmica tamén absorbe a enerxía solar e convértea en enerxía térmica, que se considera un xeito sinxelo e eficaz de utilizar a enerxía solar.
A enerxía térmica convertida a partir da enerxía solar pode impulsar procesos industriais importantes como as centrais solares térmicas, a desalinización solar, a esterilización, os sistemas solares de quecemento de auga e outras aplicacións relacionadas coa calor. A desalinización solar ofrece unha solución eficaz, especialmente para áreas que carecen de infraestruturas, porque pode extraer auga doce da auga do mar sen aporte de enerxía adicional.
Nos últimos anos, a tecnoloxía de evaporación interfacial impulsada polo solar sitúa o proceso de conversión de calor solar na interface líquido-vapor e converteuse nunha nova tecnoloxía de utilización da enerxía solar. En comparación co quecemento integral tradicional, os sistemas de evaporación interfacial presentan unha maior eficiencia de evaporación e unha resposta térmica máis rápida e son unha alternativa potencial para a desalinización da auga de mar.
Ata o momento, realizáronse moitos estudos sobre a mellora do rendemento térmico dos sistemas de evaporación interfacial. Un sistema típico de evaporación interfacial impulsado polo solar consta de tres partes importantes:
Un absorbente solar con alta absorción solar e que converte de forma eficiente a radiación solar en enerxía térmica; un illante que transfire a calor convertida á auga a granel; e un camiño de abastecemento de auga que atrae continuamente a auga da auga a granel ata a superficie do absorbedor solar.
En estudos previos, un gran número de investigadores dedicáronse a mellorar a eficiencia xeral da conversión de enerxía solar a vapor mediante a síntese de materiais de banda ancha e absorbentes de enerxía solar, a optimización do deseño de novas vías de subministración de auga e a mellora das estruturas de illamento térmico.
Ata o momento, os sistemas de evaporación interfacial impulsados por solar utilizáronse en moitos procesos industriais, destilación solar inducida, esterilización solar, desalinización solar e xeración de enerxía solar. Para conseguir un alto rendemento de evaporación do sistema, é importante explorar a absorción de banda ancha en todo o espectro solar dos materiais absorbentes solares.
Os materiais absorbentes de enerxía solar desenvolvidos e explorados nos sistemas de evaporación interfacial impulsados polo solar inclúen principalmente materiais carbonosos, partículas plasmónicas e materiais absorbentes espectralmente selectivos. Entre eles, os materiais negros e carbonosos naturais teñen unha forte capacidade de conversión de calor solar e son axeitados para absorbentes solares de banda ancha e de alta intensidade.
Debido á súa alta taxa de absorción solar, ao seu baixo custo e á súa boa estabilidade, foron estudados moitos absorbentes solares baseados en carbono, incluíndo nanotubos de carbono, grafito e óxido de grafeno reducido. Despois de anos de desenvolvemento, a eficiencia de conversión solar a vapor do sistema baixo a luz do día alcanzou máis do 90%.
Aínda que houbo grandes melloras no desenvolvemento de materiais absorbentes de enerxía solar e no deseño de estruturas de evaporación interfacial, a maioría dos dispositivos de desalinización solar informados anteriormente debéronse á acumulación de sal na superficie superior do evaporador durante o proceso de desalinización. O sal acumulado bloquea a absorción solar e bloquea o evaporador poroso, o que resulta nunha baixa eficiencia de conversión solar a calor e un rendemento de evaporación pobre.
Os métodos físicos tradicionais como as ondas ultrasónicas e a inmersión en auga úsanse xeralmente para eliminar as sales acumuladas, pero estes métodos poden causar facilmente danos na estrutura de evaporación da interface.
Para reducir a acumulación de sal nos sistemas de evaporación interfacial, moitos estudos centráronse no desenvolvemento da evaporación hidrófoba. Non obstante, os evaporadores hidrófobos limitan o abastecemento de auga á superficie superior, reducindo así o rendemento evaporativo do sistema. Outra forma de resolver este problema é utilizar un evaporador hidrófilo, que move o exceso de sal da superficie superior á auga a granel.
Ata a data, moitos estudos centráronse no deseño de evaporadores hidrófilos, como membranas de tecido de celulosa hidrófila, membranas hidrófilas en papel e evaporadores de inspiración biolóxica. Pero o desenvolvemento dun sistema de evaporación interfacial impulsado polo solar é estable e altamente eficiente a longo prazo segue sendo un desafío importante.
Neste estudo, demostramos unha escuma de óxido de grafeno reducido (rGO) resistente ao sal, altamente eficiente e de absorción solar altamente eficiente para a desalinización interfacial impulsada polo solar baixo iluminación solar de baixa fluorescencia.
Na nova estrutura porosa, elixiuse como base escuma de melamina hidrófila (MF) , que non só expande a superficie de absorción solar senón que tamén mellora a dispersión múltiple.
A hidrofilia superficial e a porosidade da reducida escuma de melamina recuberta de óxido de grafeno proporcionan suficiente humectación e fusión da zona de conversión de calor solar, así como unha rápida reposición de auga, evitando ao mesmo tempo a acumulación de sales.
Aproveitando o alto rendemento da escuma de melamina revestida de óxido de grafeno reducido, o sistema interfacial alimentado por enerxía solar é capaz de obter unha taxa de conversión solar a vapor do 89.6 %.
Ademais, ao integrar a escuma de melamina recuberta de óxido de grafeno reducido na enerxía solar comercial, deseñamos e fabricamos un dispositivo de desalinización de auga de mar interfacial impulsado pola luz solar cunha eficiencia de conversión solar a auga do 56.4 % baixo a luz do día. Debido á desalinización solar, a auga limpa recollida é un requisito de calidade potable.
Cun rendemento de evaporación superior e escalabilidade dos materiais de conversión solar a térmica, este sistema para a desalinización de auga de mar interfacial impulsada pola solar presenta amplas perspectivas de aplicación en aplicacións prácticas da desalinización de auga de mar.
Escalabilidade dos materiais de transferencia de calor de desalinización solar
Un sistema de evaporación interfacial baseado en escuma de melamina revestida de óxido de grafeno reducido. A escuma de melamina recuberta de óxido de grafeno ter está no medio e está envolta por unha capa de escuma de polietileno (PE) no exterior para construír un sistema de evaporación interfacial de burbullas propias.
A escuma de melamina recuberta de óxido de grafeno reducido en telurio úsase para absorber rapidamente a radiación solar incidente, converter a enerxía solar en calor e xerar unha forza motriz para a evaporación interfacial. Por outra banda, a escuma hidrófila de melamina recuberta de óxido de grafeno reducido pode atraer salmoira continuamente á zona de evaporación.
A estrutura porosa da escuma de melamina recuberta de trióxido de grafeno permite que o vapor xerado escape ao ambiente, promovendo a captura da luz solar e aumentando así a eficiencia da conversión solar a calor. A escuma de melamina revestida de óxido de grafeno reducido é porosa e hidrófila, o que lle permite atraer auga á estrutura de evaporación descrita anteriormente e, ao mesmo tempo, descompón as sales concentradas de novo á auga do mar.
Durante o proceso de evaporación, a concentración de sal na escuma é maior que a concentración de auga de mar no fondo. Os cambios na concentración fan que o sal se descomponga na auga a granel. Ademais, a escuma de polietileno circundante non só reduce a escuma de melamina recuberta de óxido de grafeno , senón que tamén se acumula de forma natural na superficie da auga, o que inhibe a perda de calor causada pola auga salgada circundante.
Os sistemas de evaporación de interface poden funcionar de forma continua e eficiente en superficies de auga sen necesidade de deseños de construción complexos. Ademais, dado que a evaporación ocorre na interface gas-líquido, o sistema de evaporación interfacial pode moverse de forma autónoma cando a interface retrocede.
A escuma de melamina recuberta de óxido de grafeno reducido en teluro é un compoñente clave do sistema de evaporación interfacial. A escuma de melamina foi inmersa en suspensión coloidal de óxido de grafeno para preparar escuma de melamina revestida de óxido de grafeno reducido e, a continuación, o óxido de grafeno reduciuse a óxido de grafeno reducido mediante un método hidrotermal.
A escuma de melamina revestida de óxido de grafeno reducido cun diámetro de 3.5 cm e un grosor de 1.6 cm é fácil de fabricar e a súa cor é negra profunda.
A rugosidade da superficie do material de escuma de melamina revestido de óxido de grafeno reducido observada mediante un microscopio óptico tridimensional mostrou unha variación de altura de máis de 300 μm. A estrutura superficial rugosa dos compostos de conversión térmica solar atribúese principalmente á estrutura porosa da escuma de melamina, e o óxido de grafeno reducido modificado tamén aumenta a rugosidade da superficie.
A rugosidade da superficie amplía a superficie de absorción solar ao tempo que aumenta a dispersión múltiple da luz solar incidente, mellorando así a eficiencia de conversión solar en calor do sistema. Microestrutura da escuma de melamina preparada a diferentes aumentos. A superficie de escuma de melamina recuberta de óxido de grafeno presenta unha estrutura de rede engurrada e interconectada.
O tamaño dos poros da escuma de melamina recuberta con rGO está entre 20 e 40 μm. A estrutura de poro aberto e a superficie engurrada facilitan a deposición de óxido de grafeno. A escuma de melamina revestida de óxido de grafeno reducido ten unha boa moxabilidade da auga debido á hidrofilicidade da escuma de melamina porosa.
Unha vez que unha pinga de auga toca a superficie da escuma de melamina revestida de óxido de grafeno reducido, é completamente absorbida en 0.5 segundos. A superficie hidrófila dos compostos de óxido de grafeno reducido pode guiar rapidamente a drenaxe dentro da estrutura porosa. A porosidade da escuma de melamina recuberta de óxido de grafeno reducida determinouse comparando os cambios de masa antes e despois da absorción de auga.
A porosidade da escuma de melamina recuberta de óxido de grafeno pode alcanzar o 85.55%. A absorción de enerxía solar pola reducida escuma de melamina recuberta de óxido de grafeno afecta directamente a eficiencia de conversión solar a calor do sistema. Para avaliar a resistencia á sal, colocouse escuma de melamina recuberta de óxido de grafeno reducido en solución de cloruro de sodio (3.5 % en peso).
Despois colocáronse 3 g de cloruro de sodio sólido na superficie superior e a escuma de melamina recuberta de Tergo colocouse a unha densidade solar de 1 kW m−2. A cantidade de sal sólida disólvese gradualmente despois de 120 minutos.
Cando a luz solar incide sobre a superficie superior da escuma de melamina recuberta con rGO , a temperatura deste produto aumenta rapidamente en cuestión de minutos e mantense a 35 °C durante todo o proceso de evaporación. Dado que a solubilidade do sal depende da temperatura, canto maior sexa a temperatura, máis rápido se disolverá o sal e, polo tanto, o ferro do sal poderá redisolverse na auga superficial.
Na escuma de melamina revestida de óxido de grafeno reducido, que ten numerosos poros cunha alta capacidade de absorción de auga que poden proporcionar un abastecemento continuo de auga á superficie superior, as sales poden moverse desde a superficie superior á subcapa de auga. Os cambios de temperatura provocan cambios de salinidade entre a superficie de evaporación superior e o corpo.
Co fin de obter unha absorción de enerxía solar de banda ancha e eficiente, a escuma de melamina foi modificada con escuma de melamina hidrófila porosa, aumentando así a superficie de absorción solar e aumentando a dispersión múltiple.
O sistema de evaporación interfacial solar baseado en escuma de melamina revestida con rGO presenta unha resposta térmica rápida cunha densidade de enerxía solar de 1 kW m−2, logrando unha eficiencia de conversión térmica solar en estado estacionario do 89.6%.
Finalmente, integramos un evaporador de escuma de melamina revestido de óxido de grafeno reducido nun alambique solar, que pode producir un 56.4% de auga potable con acumulación de sal a 1 kW m−2.
Prevemos que este dispositivo de desalinización interfacial alimentado por enerxía solar podería usarse en illas illadas ou no océano para recoller auga potable da abundante auga do mar ou doutros recursos de auga salgada.
Conclusión
Desalinización A escuma de melamina revestida con rGO, como tecnoloxía de desalinización solar innovadora e eficiente, ten un gran potencial e perspectivas de aplicación. Non só pode proporcionar recursos de auga doce fiables para áreas con escaseza de auga, senón que tamén pode reducir a dependencia da enerxía tradicional, reducir o consumo de enerxía e a contaminación ambiental.
Os resultados desta investigación farán unha importante contribución para resolver o problema global da escaseza de recursos de auga doce e promover a realización do desenvolvemento sostible.
Para obter máis información sobre a espuma de melamina SINOYQX, póñase en contacto connosco en [email protected] ou por teléfono: +86-28-8411-1861.
Algunhas imaxes e textos reprodúcense de Internet, e os dereitos de autor pertencen ao autor orixinal. Se hai algunha infracción, póñase en contacto connosco para eliminala.