تبخیر سطحی با نیروی خورشیدی (SIE) به دلیل تواناییاش در استفاده کارآمد از انرژی خورشیدی برای تولید آب شیرین، یکی از امیدوارکنندهترین فناوریها برای کاهش کمبود آب شیرین محسوب میشود. علاوه بر این، تبخیرکنندههای خورشیدی مزایای منحصر به فردی در تصفیه فاضلابهای نمکی غلیظ دارند . فرآیند تبخیر فقط کریستالهای نمک را به عنوان یک محصول جانبی تولید میکند و در نتیجه تخلیه مایع به صفر میرسد. با این حال، تجمع نمک در تبخیرکننده مانع جذب نور شده و بر خروج بخار تأثیر میگذارد و در نهایت منجر به کاهش عملکرد تبخیر تبخیرکننده یا حتی خرابی آن میشود.
برای کاهش این مشکل، برخی از محققان استراتژی «گردش نمک» را پیشنهاد کردهاند. به این معنی که یک مسیر گردش برای محلول طراحی میشود تا یونهای نمک به داخل آب نمک برگردند و از این طریق از تبلور نمک روی سطح تبخیر جلوگیری شود و تبخیر مداوم و پایدار حاصل شود. با این حال، این روش باعث افزایش شوری محلول میشود و مشکل تبلور نمک همچنان اجتنابناپذیر است.
راه حل دیگر، استراتژی «نمکزدایی» است. یعنی ساختار طوری تنظیم میشود که نمک ترجیحاً در ناحیه غیرتبخیری متبلور شود و در نتیجه تأثیر تبلور نمک بر عملکرد تبخیر کاهش یابد و در نتیجه جمعآوری همزمان نمک و آب شیرین حاصل شود. با این حال، استراتژی «نمکزدایی» هنوز در کاربرد عملی با چالشهای جدی روبرو است.
اول، انتقال تکبعدی آب نمک، ظرفیت جذب را محدود میکند و به طور قابل توجهی نرخ کلی تبخیر را کاهش میدهد. دوم، استراتژی تبلور نمک نیاز به حذف منظم کریستالهای نمک دارد که به دلیل چسبندگی قوی، به سختی از سطح تبخیرکننده جدا میشوند. اگر نمک رسوبشده به موقع حذف نشود، عملکرد تبخیر به ناچار کاهش مییابد. علاوه بر این، بسیاری از تبخیرکنندههای خورشیدی با راندمان بالا نیاز به فرآیندهای آمادهسازی خطرناک یا زمانبر، مانند عملیات حرارتی با فشار بالا، خلاء کم یا دمای بالا دارند.
بنابراین، توسعه یک تبخیرکننده خورشیدی بادوام برای دستیابی به تبخیر و جمعآوری نمک طولانیمدت، کارآمد و پایدار آب از طریق یک فرآیند آمادهسازی ساده برای نمکزدایی بدون تخلیه مایع، یک هدف علمی محقق نشده است.
بر اساس چالشهای فوق، تیم تحقیقاتی دانشگاه پزشکی شاندونگ یک تبخیرکننده آئروژل مارپیچی گرافنی سهبعدی گرادیانی تهیه کردند که میتواند تبخیر خورشیدی کارآمدی از آب نمک با غلظت بالا را انجام دهد و تخلیه مایع را به صفر برساند.
به منظور برآورده کردن الزامات سختگیرانه تبخیرکنندههای خورشیدی از نظر جذب کارآمد انرژی خورشیدی، استفاده کامل از انرژی، مقاومت عالی در برابر نمک و پایداری طولانی مدت، طراحی پروژه عمدتاً بر چهار نکته کلیدی زیر متمرکز است:
تمرکز بر طراحی سازه و افزایش پایداری شیمیایی
این تبخیرکننده باید ساختار شبکهای قوی و پایداری شیمیایی داشته باشد که برای دستیابی به نمکزدایی خورشیدی طولانیمدت، کارآمد و پایدار بسیار مهم است. بنابراین، آنها فوم ملامین کمهزینه، فوقالعاده آبدوست، با تخلخل بالا و انعطافپذیری بالا را به عنوان اسکلت پشتیبان تبخیرکننده خورشیدی انتخاب کردند.
سپس آنها خواص مکانیکی آئروژلهای گرافنی با فوم ملامین به عنوان اسکلت را در حالتهای مختلف، از جمله فشار، خمش و کشش، بررسی کردند تا خواص مکانیکی آنها را به طور جامع ارزیابی کنند.
به منظور بررسی بیشتر استحکام و دوام آن در شرایط واقعی کاربرد، تیم تحقیقاتی آزمایشهایی را در شرایط سخت مختلف انجام داد.
به طور خاص، آنها نمونه را 20 بار در هوا و آب خم کردند، آن را در محلولهای اسیدی و قلیایی خیساندند و در محیطهای سختی مانند دمای بالا و هم زدن با امواج فراصوت قرار دادند.
پس از این آزمایشهای دقیق، آنها هیچ تغییر قابل توجهی در ظاهر و ریزساختار نمونه مشاهده نکردند، که کاملاً دوام عالی و پایداری ساختاری آن را نشان میداد.
تمرکز بر سادهسازی و بهبود اقتصادی فرآیندهای تولید
برای دستیابی به سادگی و صرفهجویی در فرآیند تولید اواپراتور و جلوگیری از استفاده از تجهیزات گرانقیمت، آنها مراحل آمادهسازی زیر را طراحی کردند:
مرحله اول پرس گرم
تیم تحقیقاتی با استفاده از فناوری پرس گرم، فومهای ملامین با ضخامتهای مختلف را فشرده کردند تا یک فیلم ملامین از پیش پرس شده با ضخامت ۱ میلیمتر به دست آورند.
در طول این فرآیند، با افزایش نسبت ضخامت اولیه نمونه به ضخامت فشرده شده نهایی، اندازه منافذ فیلم ملامین پیش پرس شده به طور دقیق از ۱۵۰ میکرومتر به ۲۰ میکرومتر تنظیم میشود و یک ساختار شبکه گرادیان سهبعدی منحصر به فرد را تشکیل میدهد.
مرحله دوم، سمپاشی سطحی
با استفاده از یک بطری اسپری، سوسپانسیون اکسید گرافن را به طور یکنواخت روی سطح فیلم ملامین از پیش پرس شده اسپری کنید . توزیع یکنواخت اکسید گرافن در فیلم حاصل شد که پایه و اساس کاهش خورشیدی بعدی را بنا نهاد.
مرحله سوم خشک کردن تحت فشار اتمسفر
پس از اسپری کردن، آنها فیلم را مستقیماً در معرض هوا قرار دادند تا به صورت طبیعی خشک شود. این مرحله از فرآیندهای آمادهسازی پیچیده، زمانبر و انرژیبر مانند خشک کردن انجمادی، خشک کردن فوق بحرانی و جایگزینی حلال جلوگیری میکند.
مرحله چهارم کاهش نور خورشید است
یعنی با استفاده از یک ذرهبین، نور خورشید را روی نمونه متمرکز میکنند. تحت تأثیر اشعه ماوراء بنفش، رنگ سطح نمونه به سرعت از قهوهای به سیاه تغییر میکند که نشان میدهد اکسید گرافن با موفقیت به اکسید گرافن احیا شده کاهش یافته است.
این روش کاهش خورشیدی نه تنها ساده و سازگار با محیط زیست است، بلکه نیازی به استفاده از عوامل کاهنده شیمیایی یا فرآیندهای کاهش حرارتی با دمای بالا ندارد و به طور قابل توجهی هزینههای تولید و آلودگی محیط زیست را کاهش میدهد.
تمرکز بر جذب کارآمد انرژی خورشیدی و به حداقل رساندن اتلاف انرژی
تبخیرکنندههای خورشیدی نه تنها باید طیف وسیعی از انرژی خورشیدی را جذب و به انرژی حرارتی تبدیل کنند، بلکه باید تلفات انرژی ناشی از انعکاس پراکنده و تابش حرارتی را نیز به حداقل برسانند و انرژی اضافی را از محیط جذب کنند. فرآیند تبخیر در سطح مشترک خورشید توسط سه شار انرژی کنترل میشود: ورودی انرژی خورشیدی، خروجی انرژی تبخیر و انرژی تلف شده به محیط.
متاسفانه، تبخیرکنندههای خورشیدی دوبعدی مرسوم به دلیل تبادل گرما با محیط اطراف، با مشکلات اتلاف انرژی مواجه هستند و دستیابی به راندمان تبدیل ۱۰۰٪ انرژی خورشیدی به بخار ایدهآل را دشوار میکنند. در مقابل، تبخیرکنندههای خورشیدی سهبعدی میتوانند حد نظری راندمان تبدیل انرژی خورشیدی به بخار را بشکنند.
برای کاهش اتلاف انرژی ناشی از انعکاس پراکنده و تابش حرارتی در سطح بالایی نمونه سهبعدی، این تیم یک آئروژل گرافنی سه بعدی مارپیچی مقعر طراحی کرد.
این ساختار نه تنها جذب بالاتر و بازتاب کمتری دارد، بلکه دیوارههای جانبی آن نیز قادر به جذب گرمای محیط و گرمای منعکسشده از پایین هستند و در نتیجه امکان بازیابی مؤثر انرژی را فراهم میکنند.
تمرکز بر بهینهسازی تحمل به شوری و مدیریت تبلور نمک
یعنی با طراحی یک کانال انتقال منحصر به فرد، انتقال شعاعی آب نمک ارتقا مییابد که منجر به تبلور جهتدار نمک میشود. این طراحی نه تنها به طور مؤثر از رسوب و گرفتگی نمک روی سطح تبخیرکننده جلوگیری میکند، بلکه جمعآوری و استفاده مؤثر از نمک را نیز محقق میسازد و در نتیجه به طور قابل توجهی کارایی و پایداری فرآیند نمکزدایی را بهبود میبخشد.
به طور خاص، آنها یک ساختار شبکه گرافن گرادیان سهبعدی را بر اساس یک فیلم متخلخل ملامین از پیش فشرده شده طراحی و آماده کردند . این شبکه گرافن گرادیان که در داخل پراکنده و در خارج متراکم است، میتواند یک اختلاف نیروی مویرگی شعاعی تشکیل دهد که انتقال شعاعی آب نمک را افزایش میدهد. با ادامه تولید بخار، جریان شعاعی آب نمک غلظت آب نمک را در سطح خارجی افزایش میدهد و باعث میشود نمک به جای سطح داخلی، به صورت جهتدار روی سطح خارجی متبلور شود. این طراحی تضمین میکند که سطح داخلی تبخیرکننده، سطح تبخیر کافی را حفظ میکند و در نتیجه به تبخیر خورشیدی کارآمد و پایدار دست مییابد.
شایان ذکر است که این تبخیرکننده از تمام سطح بیرونی خود برای تبلور نمک استفاده میکند و این امر باعث میشود ناحیه تبلور بسیار بزرگتر از سایر تبخیرکنندههای تبلور جهتدار باشد.
بلورهای نمک عمدتاً از بلورهای نمکی با منافذ فراوان و به صورت شل تشکیل شدهاند که برای انتقال آب نمک و آزاد شدن بخار مفید هستند.
علاوه بر این، به دلیل اثر خنککنندگی تبخیری، دمای سطح لایه نمک کمتر از دمای محیط است. این ویژگی، تبخیرکننده را قادر میسازد تا انرژی بیشتری از محیط جذب کند و عملکرد تبخیر را بیشتر بهبود بخشد.
منبع مقاله: دیپ تک
گروه تحقیقاتی: گروه تحقیقاتی تیم دانشگاه پزشکی شاندونگ فرست
این مقاله از آدرس زیر نقل شده است: https://www.163.com/dy/article/J1RENDEH05119734.html
برای اطلاعات بیشتر در مورد فوم ملامین SINOYQX، لطفا با ما از طریق ایمیل [email protected] یا با شماره تلفن +86-28-8411-1861 تماس بگیرید.
برخی از تصاویر و متون از اینترنت تکثیر شده اند و حق چاپ متعلق به نویسنده اصلی است. در صورت وجود هرگونه تخلف، لطفاً برای حذف با ما تماس بگیرید.