Испарение на границе раздела фаз под действием солнечной энергии (SIE) считается одной из наиболее перспективных технологий для решения проблемы нехватки пресной воды благодаря возможности эффективного использования солнечной энергии для производства пресной воды. Кроме того, солнечные испарители обладают уникальными преимуществами при очистке концентрированных соленых сточных вод . В процессе испарения в качестве побочного продукта образуются только кристаллы соли, что позволяет избежать сброса жидкости. Однако накопление соли в испарителе будет препятствовать поглощению света и влиять на выход пара, что в конечном итоге приведет к снижению эффективности испарения или даже к выходу испарителя из строя.
Чтобы решить эту проблему, некоторые исследователи предложили стратегию «циркуляции соли». То есть, для раствора разрабатывается путь циркуляции, позволяющий ионам соли течь обратно в рассол, тем самым предотвращая кристаллизацию соли на поверхности испарения, тем самым достигая непрерывного и стабильного испарения. Однако этот метод приведет к повышению солености раствора, и проблема кристаллизации соли по-прежнему неизбежна.
Другим решением является стратегия «высаливания». То есть структура регулируется таким образом, что соль преимущественно кристаллизуется в неиспаряющейся области, тем самым уменьшая влияние кристаллизации соли на производительность испарения, тем самым достигая одновременного сбора соли и пресной воды. Однако стратегия «высаливания» все еще сталкивается с некоторыми серьезными проблемами в практическом применении.
Во-первых, одномерный перенос рассола ограничивает поглощающую способность, значительно снижая общую скорость испарения. Во-вторых, стратегия кристаллизации соли требует регулярного удаления кристаллов соли, которые трудно автоматически отвалить от поверхности испарителя из-за их сильной адгезии. Если отложенная соль не удаляется вовремя, производительность испарения неизбежно снизится. Кроме того, многие высокоэффективные солнечные испарители требуют опасных или длительных процессов подготовки, таких как обработка высоким давлением, низким вакуумом или высокой температурой.
Таким образом, разработка прочного солнечного испарителя, обеспечивающего долгосрочное, эффективное и стабильное испарение воды и сбор соли посредством простого процесса подготовки для опреснения с нулевым сбросом жидкости, является недостигнутой научной целью.
Учитывая вышеперечисленные проблемы, исследовательская группа Первого медицинского университета провинции Шаньдун разработала испаритель на основе трехмерного градиентного графенового спирали аэрогеля, который может обеспечить эффективное испарение под действием солнечной энергии высококонцентрированной соленой воды и добиться нулевого сброса жидкости.
Для того чтобы соответствовать строгим требованиям к солнечным испарителям с точки зрения эффективного поглощения солнечной энергии, полного использования энергии, превосходной устойчивости к воздействию солей и долгосрочной стабильности, при разработке проекта основное внимание уделяется следующим четырем ключевым моментам:
Упор на структурный дизайн и повышение химической стабильности
Испаритель должен обладать прочной сетчатой структурой и химической стабильностью, что имеет решающее значение для достижения долговременного, эффективного и стабильного опреснения воды с помощью солнечной энергии. Поэтому в качестве опорного каркаса солнечного испарителя был выбран недорогой, сверхгидрофильный, высокопористый и высокоэластичный меламиновый пенополиуретан .
Затем они изучили механические свойства графеновых аэрогелей с меламиновой пеной в качестве каркаса в различных режимах, включая сжатие, изгиб и растяжение, чтобы всесторонне оценить их механические свойства.
Для дальнейшей проверки его прочности и долговечности в реальных условиях применения исследовательская группа провела испытания в различных экстремальных условиях.
В частности, они многократно (20 раз) сгибали образец на воздухе и в воде, замачивали его в кислых и щелочных растворах , а также помещали в агрессивные среды, такие как высокая температура и ультразвуковое перемешивание.
После этих строгих испытаний они не обнаружили существенных изменений во внешнем виде и микроструктуре образца, что в полной мере продемонстрировало его превосходную прочность и структурную стабильность.
Фокус на упрощении и экономическом улучшении производственных процессов
Для достижения простоты и экономичности процесса изготовления испарителя и исключения использования дорогостоящего оборудования были разработаны следующие этапы подготовки:
Первый этап — горячее прессование.
Используя технологию горячего прессования, исследовательская группа спрессовала меламиновую пену различной толщины, чтобы получить предварительно прессованную меламиновую пленку толщиной 1 мм.
В ходе этого процесса, по мере увеличения отношения исходной толщины образца к конечной толщине после сжатия, размер пор предварительно спрессованной меламиновой пленки точно регулируется от 150 мкм до 20 мкм , образуя уникальную трехмерную градиентную сетевую структуру.
Второй этап – распыление на поверхность.
С помощью пульверизатора равномерно распылите суспензию оксида графена на поверхность предварительно спрессованной меламиновой пленки . Было достигнуто равномерное распределение оксида графена в пленке, что заложило основу для последующего снижения солнечной активности.
Третий этап — сушка при атмосферном давлении.
После распыления они поместили пленку прямо на воздух для естественной воздушной сушки. Этот шаг позволяет избежать сложных, трудоемких и энергозатратных подготовительных процессов, таких как сублимационная сушка, сверхкритическая сушка и замена растворителя.
Четвертый шаг — сокращение солнечного света
То есть, используя увеличительное стекло, чтобы сфокусировать солнечный свет на образце. Под действием ультрафиолетовых лучей цвет поверхности образца быстро меняется с коричневого на черный, что свидетельствует о том, что оксид графена успешно восстановлен до восстановленного оксида графена.
Этот метод восстановления солнечной энергии не только прост в эксплуатации и экологичен, но и не требует использования химических восстановителей или высокотемпературных процессов термического восстановления, что значительно снижает производственные затраты и загрязнение окружающей среды.
Фокус на эффективном поглощении солнечной энергии и минимизации потерь энергии
Солнечные испарители должны не только поглощать и преобразовывать широкий спектр солнечной энергии в тепловую, но и минимизировать потери энергии, вызванные диффузным отражением и тепловым излучением, а также улавливать дополнительную энергию из окружающей среды. Процесс испарения на солнечном интерфейсе контролируется тремя потоками энергии: входом солнечной энергии, выходом энергии испарения и рассеиванием энергии в окружающую среду.
К сожалению, обычные двухмерные солнечные испарители сталкиваются с проблемами рассеивания энергии из-за теплообмена с окружающей средой, что затрудняет достижение идеальной 100% эффективности преобразования солнечной энергии в пар. Напротив, трехмерные солнечные испарители могут нарушить теоретический предел эффективности преобразования солнечной энергии в пар.
Чтобы уменьшить потери энергии, вызванные диффузным отражением и тепловым излучением на верхней поверхности трехмерного образца, команда разработала трехмерный спиральный вогнутый графеновый аэрогель.
Эта конструкция не только имеет более высокую поглощающую способность и более низкую отражательную способность, но ее боковые стенки также способны поглощать окружающее тепло и тепло, диффузно отраженное от дна, тем самым обеспечивая эффективную рекуперацию энергии.
Сосредоточение на оптимизации солеустойчивости и управлении кристаллизацией соли
То есть, проектируя уникальный транспортный канал, обеспечивается радиальный транспорт рассола, что приводит к направленной кристаллизации соли. Такая конструкция не только эффективно предотвращает отложение соли и засорение поверхности испарителя, но и реализует эффективный сбор и использование соли, тем самым значительно повышая эффективность и устойчивость процесса опреснения.
В частности, они разработали и изготовили трехмерную градиентную графеновую сетевую структуру на основе предварительно спрессованной пористой пленки меламина . Эта градиентная графеновая сетка, разреженная внутри и плотная снаружи, может создавать радиальную разницу капиллярных сил, которая способствует радиальному переносу рассола. По мере дальнейшего образования пара радиальный поток рассола увеличивает его концентрацию на внешней поверхности, вызывая направленную кристаллизацию соли на внешней поверхности, а не на внутренней. Такая конструкция обеспечивает достаточную площадь испарения на внутренней поверхности испарителя, тем самым достигая эффективного и стабильного солнечного испарения.
Стоит отметить, что испаритель использует всю свою внешнюю поверхность для кристаллизации соли, благодаря чему площадь кристаллизации значительно больше, чем у других испарителей направленной кристаллизации.
Кристаллы соли в основном состоят из рыхло упакованных кристаллов соли с большим количеством пор, что способствует транспортировке рассола и выделению пара.
Кроме того, из-за эффекта испарительного охлаждения температура поверхности соляного слоя ниже температуры окружающей среды. Эта характеристика позволяет испарителю поглощать больше энергии из окружающей среды, что еще больше улучшает производительность испарения.
Источник статьи: Deep Tech
Исследовательская группа: Исследовательская группа Первого медицинского университета Шаньдуна
Статья цитируется по ссылке: https://www.163.com/dy/article/J1RENDEH05119734.html
Для получения дополнительной информации о меламиновой пене SINOYQX, пожалуйста, свяжитесь с нами по электронной почте [email protected] или по телефону: +86-28-8411-1861.
Некоторые изображения и тексты воспроизводятся из Интернета, и авторские права принадлежат оригинальному автору. Если есть какие-либо нарушения, пожалуйста, свяжитесь с нами для удаления.