نمک زدایی خورشیدی به عنوان روشی پایدار برای استفاده از منابع آب، پتانسیل زیادی در حل مشکل کمبود منابع آب شیرین و کاهش کمبود آب دارد. با این حال، فناوری سنتی نمکزدایی آب دریا اغلب مشکلاتی مانند مصرف انرژی بالا، تجهیزات پیچیده و هزینه بالا دارد.
در سالهای اخیر، فناوریهای جدید پوشش نمکزدایی مبتنی بر نانومواد به تدریج توجه محققان را به خود جلب کرده است. گرافن احیا شده با اکسید گرافن، به عنوان یک ماده دو بعدی جدید، پتانسیل قابل توجهی در نمک زدایی خورشیدی نشان داده است.
در مقایسه با مواد پوشش نمکزدایی سنتی، rGO دارای مزایای هدایت عالی، سطح ویژه بالا و پایداری شیمیایی خوب است و انتظار میرود که راندمان نمکزدایی را بهبود بخشد و مصرف انرژی را کاهش دهد.
با این حال، خود rGO مشکلات تجمع و رسوبگذاری دارد که فعالیت و پایداری آن را کاهش میدهد. بنابراین، تثبیت rGO روی مواد فومی برای تشکیل یک پوشش کامپوزیتی فوم ملامین /rGO به روشی مؤثر برای بهبود راندمان و پایداری نمکزدایی تبدیل شده است.
با اصلاح سطح و تقویت خواص حامل مواد فوم، rGO را به طور یکنواخت روی سطح فوم ثابت کردیم تا سطح تماس آن با یونهای نمک موجود در آب افزایش یابد. در عین حال، ساختار و ضخامت پوشش rGO برای بهینه سازی کارایی و پایداری نمک زدایی کنترل می شود.
برای به دست آوردن درک عمیق تر از مکانیسم نمک زدایی، ما همچنین یک فوم اکسید گرافن کاهش یافته (rGO) تهیه کردیم. فوم ملامینه با پوشش تری اکسید گرافن دارای ساختار متخلخل ذاتی و آب دوستی است که به آن اجازه می دهد تا رطوبت خوبی داشته باشد و می تواند آب را به ناحیه تبخیر جذب کند و به آب امکان می دهد به سرعت دوباره پر شود و در عین حال از بارش نمک جلوگیری شود.
سیستم تبخیر سطحی فوم ملامینه پوشش داده شده با اکسید گرافن می تواند بازده تبخیر حالت پایدار 89.6٪ را تحت سوخت خورشیدی 1kW m-2 به دست آورد. این سیستم تبخیر سطحی دارای راندمان تبدیل خورشید به گرما بالا و پایداری طولانی مدت خوب است که پتانسیل نمک زدایی آب دریا را نشان می دهد.
در حال حاضر، بحران جهانی انرژی و کمبود آب به تهدیدهای اصلی برای توسعه پایدار جامعه بشری تبدیل شده است. برای پاسخگویی به تقاضای رو به رشد انرژی، توسعه فناوریهای مختلف تبدیل انرژی و تصفیه آب با کارایی بالا توجه روزافزونی را به خود جلب کرده است.
فناوری تبخیر سطحی با انرژی خورشیدی
انرژی خورشیدی به عنوان یک منبع انرژی تجدیدپذیر امیدوارکننده به دلیل ظرفیت فوق العاده زیاد، جهانی بودن، پاکی و قابلیت تبدیل چند منظوره آن است. این پتانسیل برای جایگزینی سوخت های فسیلی باقی مانده توسط سوخت های فسیلی را نشان داده است.
علاوه بر فناوری فتوولتائیک خورشیدی که مستقیماً انرژی الکتریکی تولید می کند، فناوری تبدیل انرژی گرمایی خورشیدی نیز انرژی خورشیدی را جذب کرده و آن را به انرژی حرارتی تبدیل می کند که روشی ساده و مؤثر برای استفاده از انرژی خورشیدی در نظر گرفته می شود.
انرژی حرارتی تبدیل شده از انرژی خورشیدی می تواند فرآیندهای صنعتی مهمی مانند نیروگاه های حرارتی خورشیدی، نمک زدایی خورشیدی، عقیم سازی، سیستم های گرمایش آب خورشیدی و سایر کاربردهای مرتبط با گرما را هدایت کند. نمکزدایی خورشیدی راهحل مؤثری بهویژه برای مناطقی که زیرساخت ندارند، ارائه میکند، زیرا میتواند آب شیرین را از آب دریا بدون انرژی اضافی استخراج کند.
در سالهای اخیر، فناوری تبخیر سطحی مبتنی بر خورشید، فرآیند تبدیل گرمای خورشیدی را در فصل مشترک مایع و بخار قرار میدهد و به یک فناوری جدید استفاده از انرژی خورشیدی تبدیل شده است. در مقایسه با گرمایش یکپارچه سنتی، سیستمهای تبخیر سطحی راندمان تبخیر بالاتر و پاسخ حرارتی سریعتری را نشان میدهند و یک جایگزین بالقوه برای نمکزدایی آب دریا هستند.
تاکنون مطالعات زیادی در زمینه بهبود عملکرد حرارتی سیستم های تبخیر سطحی انجام شده است. یک سیستم تبخیر سطحی معمولی مبتنی بر خورشید از سه بخش مهم تشکیل شده است:
یک جاذب خورشیدی با جذب خورشیدی بالا و به طور موثر تابش خورشید را به انرژی گرمایی تبدیل می کند. عایق که گرمای تبدیل شده را به آب عمده منتقل می کند. و یک مسیر تامین آب که به طور مداوم آب را از آب حجیم به سطح جاذب خورشیدی می کشد.
در مطالعات قبلی، تعداد زیادی از محققان با سنتز مواد جاذب انرژی پهنباند و خورشیدی، بهینهسازی طراحی مسیرهای جدید آبرسانی و بهبود سازههای عایق حرارتی ، خود را وقف بهبود راندمان کلی تبدیل انرژی خورشیدی به بخار کردهاند.
تاکنون، سیستمهای تبخیر سطحی مبتنی بر خورشید در بسیاری از فرآیندهای صنعتی، تقطیر خورشیدی القایی، عقیمسازی خورشیدی، نمکزدایی خورشیدی و تولید انرژی خورشیدی مورد استفاده قرار گرفتهاند. برای دستیابی به عملکرد تبخیر بالای سیستم، بررسی جذب پهنای باند در سراسر طیف خورشیدی مواد جاذب خورشیدی مهم است.
مواد جاذب انرژی خورشیدی که در سیستمهای تبخیر سطحی مبتنی بر خورشید توسعه یافته و مورد بررسی قرار گرفتهاند، عمدتاً شامل مواد کربنی، ذرات پلاسمونیک و مواد جاذب انتخابی طیفی هستند. در این میان، مواد سیاه و کربنی طبیعی دارای قابلیت تبدیل گرمای خورشیدی قوی هستند و برای جاذب های خورشیدی باند پهن و با شدت بالا مناسب هستند.
به دلیل نرخ جذب خورشیدی بالا، هزینه کم و پایداری خوب، بسیاری از جاذب های خورشیدی مبتنی بر کربن از جمله نانولوله های کربنی، گرافیت و اکسید گرافن کاهش یافته مورد مطالعه قرار گرفته اند. پس از سال ها توسعه، راندمان تبدیل خورشید به بخار این سیستم در نور روز به بیش از 90 درصد رسیده است.
اگرچه پیشرفتهای زیادی در توسعه مواد جذبکننده انرژی خورشیدی و طراحی ساختارهای تبخیر سطحی صورت گرفته است، اکثر دستگاههای نمکزدایی خورشیدی که قبلاً گزارش شدهاند به دلیل تجمع نمک در سطح بالایی اواپراتور در طول فرآیند نمکزدایی بوده است. نمک انباشته شده جذب خورشید را مسدود می کند و اواپراتور متخلخل را مسدود می کند، در نتیجه راندمان تبدیل خورشید به گرما پایین و عملکرد تبخیر ضعیف است.
روشهای فیزیکی سنتی مانند امواج اولتراسونیک و غوطهوری در آب عموماً برای حذف نمکهای انباشتهشده استفاده میشوند، اما این روشها به راحتی میتوانند به ساختار تبخیر رابط آسیب وارد کنند.
برای کاهش تجمع نمک در سیستمهای تبخیر سطحی، بسیاری از مطالعات بر توسعه تبخیر آبگریز متمرکز شدهاند. با این حال، اواپراتورهای آبگریز، منبع آب را به سطح بالایی محدود می کنند و در نتیجه عملکرد تبخیری سیستم را کاهش می دهند. راه دیگر برای حل این مشکل استفاده از اواپراتور آبدوست است که نمک اضافی را از سطح بالایی به آب حجیم منتقل می کند.
تا به امروز، بسیاری از مطالعات بر روی طراحی اواپراتورهای آبدوست، مانند غشاهای پارچه سلولزی آبدوست، غشاهای آبدوست مبتنی بر کاغذ، و اواپراتورهای الهام گرفته از زیستی متمرکز شده اند. اما توسعه یک سیستم تبخیر سطحی پایدار و بسیار کارآمد خورشیدی در دراز مدت یک چالش مهم باقی مانده است.
در این مطالعه، ما یک فوم اکسید گرافن کاهشیافته (rGO) مقاوم در برابر نمک، بسیار کارآمد با جذب خورشید و پاسخگوی حرارتی سریع را برای نمکزدایی سطحی تحت نور خورشید با فلورسانس کم نشان میدهیم.
در ساختار متخلخل جدید، فوم ملامین آبدوست (MF) به عنوان پایه انتخاب شد که نه تنها مساحت سطح را برای جذب خورشیدی افزایش میدهد، بلکه پراکندگی چندگانه را نیز بهبود میبخشد.
آب دوستی سطح و تخلخل فوم ملامینه پوشش داده شده با اکسید گرافن کاهش یافته، مرطوب شدن و همجوشی کافی منطقه تبدیل حرارت خورشیدی و همچنین پر کردن سریع آب را فراهم می کند، در حالی که از تجمع نمک ها جلوگیری می کند.
با بهره گیری از عملکرد بالای فوم ملامینه پوشش داده شده با اکسید گرافن کاهش یافته، سیستم سطحی خورشیدی قادر به نرخ تبدیل خورشید به بخار 89.6٪ است.
علاوه بر این، با ادغام فوم ملامینه پوششدهی شده با اکسید گرافن کاهشیافته در انرژی خورشیدی تجاری، یک دستگاه نمکزدایی سطحی آب دریا با هدایت خورشیدی با راندمان تبدیل خورشید به آب 56.4 درصد در زیر نور روز طراحی و ساختیم. به دلیل نمک زدایی خورشیدی، آب تمیز جمع آوری شده از کیفیت قابل شرب برخوردار است.
با عملکرد برتر تبخیر و مقیاسپذیری مواد تبدیل خورشیدی به حرارتی، این سیستم برای نمکزدایی سطحی آب دریا با هدایت خورشیدی، چشماندازهای کاربردی گستردهای را در کاربردهای عملی نمکزدایی آب دریا ارائه میکند.
مقیاس پذیری مواد انتقال حرارت نمک زدایی خورشیدی
یک سیستم تبخیر سطحی مبتنی بر کاهش فوم ملامینه با اکسید گرافن. فوم ملامینه با پوشش اکسید گرافن در وسط قرار دارد و توسط لایه ای از فوم پلی اتیلن (PE) در قسمت بیرونی پیچیده می شود تا یک سیستم تبخیر سطحی خود حباب ایجاد کند.
فوم ملامینه پوشیده شده با اکسید گرافن احیا شده با تلوریوم برای جذب سریع تشعشعات خورشیدی، تبدیل انرژی خورشیدی به گرما و تولید نیروی محرکه برای تبخیر سطحی استفاده می شود. از سوی دیگر، فوم ملامینه پوشش داده شده با اکسید گرافن احیا شده آبدوست می تواند به طور مداوم آب نمک را به منطقه تبخیر بکشاند.
ساختار متخلخل فوم ملامینه با پوشش تری اکسید گرافن به بخار تولید شده اجازه می دهد تا به محیط خارج شود و جذب نور خورشید و در نتیجه افزایش کارایی تبدیل خورشید به گرما را افزایش می دهد. فوم ملامینه پوششدهی شده با اکسید گرافن کاهش یافته متخلخل و آبدوست است و به آن اجازه میدهد تا آب را به ساختار تبخیر که در بالا توضیح داده شد بکشد در حالی که همزمان نمکهای غلیظ را دوباره به آب دریا تبدیل میکند.
در طول فرآیند تبخیر، غلظت نمک در کف بیشتر از غلظت آب دریا در کف است. تغییرات غلظت باعث تجزیه نمک به آب میشود. علاوه بر این، فوم پلیاتیلن اطراف نه تنها کف ملامین روکش شده با اکسید گرافن را کاهش میدهد ، بلکه به طور طبیعی روی سطح آب جمع میشود و از اتلاف گرما ناشی از آب نمک اطراف جلوگیری میکند.
سیستم های تبخیر رابط می توانند به طور مداوم و کارآمد بر روی سطوح آب بدون نیاز به طراحی های پیچیده ساختمانی کار کنند. علاوه بر این، از آنجایی که تبخیر در فصل مشترک گاز و مایع رخ می دهد، سیستم تبخیر سطحی می تواند به طور مستقل در هنگام عقب نشینی رابط حرکت کند.
فوم ملامینه با پوشش اکسید گرافن احیا شده با تلوریوم جزء کلیدی سیستم تبخیر سطحی است. فوم ملامین در سوسپانسیون کلوئیدی اکسید گرافن غوطه ور شد تا کف ملامینه پوشش داده شده با اکسید گرافن احیا شده تهیه شود و سپس اکسید گرافن با استفاده از روش هیدروترمال به اکسید گرافین احیا شده تبدیل شد.
فوم ملامینه روکش شده با اکسید گرافن احیا شده با قطر 3.5 سانتی متر و ضخامت 1.6 سانتی متر به راحتی ساخته می شود و رنگ آن مشکی عمیق است.
زبری سطح مواد فوم ملامینه پوشش داده شده با اکسید گرافن کاهش یافته که با استفاده از میکروسکوپ نوری سه بعدی مشاهده شد، تغییرات ارتفاعی بیش از 300 میکرومتر را نشان داد. ساختار سطح ناهموار کامپوزیت های تبدیل حرارتی خورشیدی عمدتاً به ساختار متخلخل فوم ملامین نسبت داده می شود و اکسید گرافن کاهش یافته اصلاح شده نیز زبری سطح را افزایش می دهد.
ناهمواری سطح، سطح جذب خورشید را تقویت میکند و در عین حال پراکندگی چندگانه نور خورشید را افزایش میدهد، بنابراین راندمان تبدیل خورشید به گرما در سیستم را بهبود میبخشد. ریزساختار فوم ملامینه تهیه شده در بزرگنمایی های مختلف. سطح فوم ملامینه پوشش داده شده با اکسید گرافن، ساختار شبکه ای چروکیده و به هم پیوسته را نشان می دهد.
اندازه منافذ فوم ملامینه با پوشش rGO بین 20 تا 40 میکرومتر است. ساختار منافذ باز و سطح چروکیده رسوب اکسید گرافن را تسهیل می کند. فوم ملامینه پوشش داده شده با اکسید گرافن احیا شده به دلیل آب دوستی فوم متخلخل ملامینه، ترشوندگی آب خوبی دارد.
هنگامی که یک قطره آب با سطح فوم ملامینه پوشیده شده با اکسید گرافن احیا شده برخورد می کند، در عرض 0.5 ثانیه کاملا جذب می شود. سطح آبدوست کامپوزیت های اکسید گرافن احیا شده می تواند به سرعت زهکشی را در ساختار متخلخل هدایت کند. تخلخل فوم ملامینه پوشش داده شده با اکسید گرافن کاهش یافته با مقایسه تغییرات جرم قبل و بعد از جذب آب تعیین شد.
تخلخل فوم ملامینه پوشش داده شده با اکسید گرافن می تواند به 85.55 درصد برسد. جذب انرژی خورشیدی توسط فوم ملامینه پوشش داده شده با اکسید گرافن کاهش یافته به طور مستقیم بر راندمان تبدیل خورشید به گرما سیستم تأثیر می گذارد. برای ارزیابی مقاومت به نمک، فوم ملامینه پوشش داده شده با اکسید گرافن احیا شده در محلول کلرید سدیم (3.5 درصد وزنی) قرار داده شد.
سپس 3 گرم کلرید سدیم جامد روی سطح بالایی قرار داده شد و فوم ملامینه با پوشش Tergo با چگالی خورشیدی 1 کیلووات متر مربع قرار گرفت. مقدار نمک جامد پس از 2 دقیقه به تدریج حل می شود.
وقتی نور خورشید به سطح بالایی فوم ملامین پوشش داده شده با rGO میتابد ، دمای فوم ملامین پوشش داده شده با rGO در عرض چند دقیقه به سرعت افزایش مییابد و در طول فرآیند تبخیر در دمای 35 درجه سانتیگراد باقی میماند. از آنجایی که حلالیت نمک به دما بستگی دارد، هرچه دما بالاتر باشد، نمک سریعتر حل میشود و بنابراین آهن نمک میتواند دوباره در آب سطحی حل شود.
در فوم ملامینه پوششدهی شده با اکسید گرافن کاهش یافته، که دارای منافذ متعدد با ظرفیت جذب آب بالا است که میتواند یک منبع آب مداوم به سطح بالایی ارائه دهد، نمکها میتوانند از سطح بالایی به زیر لایه آب حرکت کنند. تغییرات دما منجر به تغییرات شوری بین سطح بالایی تبخیر و بدن می شود.
به منظور به دست آوردن باند پهن و جذب انرژی خورشیدی کارآمد، فوم ملامینه با فوم ملامینه آبدوست متخلخل اصلاح شد، در نتیجه سطح جذب خورشیدی افزایش یافت و پراکندگی چندگانه افزایش یافت.
سیستم تبخیر سطحی خورشیدی مبتنی بر فوم ملامینه با پوشش rGO پاسخ حرارتی سریعی را در چگالی انرژی خورشیدی 1 کیلووات متر مربع نشان میدهد و بازده تبدیل حرارتی خورشیدی به حالت پایدار 2٪ را به دست میآورد.
در نهایت، ما یک تبخیر کننده فوم ملامینه با پوشش اکسید گرافن کاهش یافته را در یک دستگاه ثابت خورشیدی ادغام کردیم که می تواند 56.4 درصد آب آشامیدنی را با تجمع نمک در 1 کیلووات متر مربع تولید کند.
ما تصور می کنیم که این دستگاه آب شیرین کن سطحی با انرژی خورشیدی می تواند در جزایر جدا شده یا در اقیانوس برای جمع آوری آب آشامیدنی از آب فراوان دریا یا سایر منابع آب شور استفاده شود.
نتیجه
نمکزدایی فوم ملامینه با پوشش rGO، بهعنوان یک فناوری نوآورانه و کارآمد نمکزدایی خورشیدی، پتانسیل و چشمانداز کاربردی زیادی دارد. این نه تنها می تواند منابع آب شیرین قابل اعتماد را برای مناطق کم آب فراهم کند، بلکه وابستگی به انرژی سنتی را کاهش می دهد، مصرف انرژی و آلودگی زیست محیطی را کاهش می دهد.
نتایج این تحقیق کمک مهمی به حل مشکل کمبود منابع آب شیرین جهانی و ارتقای تحقق توسعه پایدار خواهد کرد.
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.