Door zonne-energie aangedreven grensvlakverdamping (SIE) wordt beschouwd als een van de meest veelbelovende technologieën om het tekort aan zoet water te verlichten, vanwege het vermogen om zonne-energie efficiënt te gebruiken voor de productie van zoet water. Bovendien hebben zonneverdampers unieke voordelen bij de behandeling van geconcentreerd zout afvalwater . Het verdampingsproces produceert alleen zoutkristallen als bijproduct, waardoor er geen vloeistof wordt geloosd. De ophoping van zout in de verdamper belemmert echter de lichtabsorptie en de ontsnapping van stoom, wat uiteindelijk leidt tot een afname van de verdampingsprestaties van de verdamper of zelfs tot uitval.
Om dit probleem te verlichten, hebben sommige onderzoekers een 'zoutcirculatie'-strategie voorgesteld. Dit houdt in dat er een circulatiepad voor de oplossing wordt ontworpen om zoutionen terug te laten stromen naar de pekel, waardoor kristallisatie van zout op het verdampingsoppervlak wordt voorkomen en een continue en stabiele verdamping wordt bereikt. Deze methode zal echter leiden tot een toename van het zoutgehalte van de oplossing, waardoor het probleem van zoutkristallisatie nog steeds onvermijdelijk is.
Een andere oplossing is de 'uitzoutingsstrategie'. Dit houdt in dat de structuur zo wordt geregeld dat het zout bij voorkeur kristalliseert in het niet-verdampingsgebied, waardoor de impact van zoutkristallisatie op de verdampingsprestaties wordt verminderd en gelijktijdig zout en zoet water wordt verzameld. De 'uitzoutingsstrategie' kent echter nog steeds enkele grote uitdagingen in de praktijk.
Ten eerste beperkt eendimensionaal pekeltransport het absorptievermogen, waardoor de totale verdampingssnelheid aanzienlijk afneemt. Ten tweede vereist de zoutkristallisatiestrategie regelmatige verwijdering van zoutkristallen, die door hun sterke hechting moeilijk automatisch van het verdamperoppervlak afvallen. Als het afgezette zout niet tijdig wordt verwijderd, zal de verdampingsprestatie onvermijdelijk afnemen. Bovendien vereisen veel hoogrenderende zonneverdampers gevaarlijke of tijdrovende voorbereidingsprocessen, zoals warmtebehandelingen onder hoge druk, laag vacuüm of hoge temperatuur.
Daarom is het ontwikkelen van een duurzame zonneverdamper die op lange termijn efficiënte en stabiele waterverdamping en zoutverzameling bereikt via een eenvoudig voorbereidingsproces voor ontzilting zonder lozing van vloeistoffen, een nog niet bereikt wetenschappelijk doel.
Op basis van de bovenstaande uitdagingen ontwikkelde het onderzoeksteam van Shandong First Medical University een driedimensionale gradiëntgrafeenspiraal-aerogelverdamper, die efficiënte zonneverdamping van zout water met een hoge concentratie kan bereiken en geen vloeistoflozing kan realiseren.
Om te voldoen aan de strenge eisen die aan zonneverdampers worden gesteld op het gebied van efficiënte zonne-absorptie, volledige energiebenutting, uitstekende zoutbestendigheid en stabiliteit op de lange termijn, is het projectontwerp hoofdzakelijk gericht op de volgende vier kernpunten:
Focus op structureel ontwerp en verbetering van de chemische stabiliteit
De verdamper moet een sterke netwerkstructuur en chemische stabiliteit hebben, wat cruciaal is voor een langdurige, efficiënte en stabiele ontzilting met zonne-energie. Daarom kozen ze voor goedkoop, superhydrofiel, zeer poreus en veerkrachtig melamineschuim als ondersteunend skelet voor de zonneverdamper.
Vervolgens bestudeerden ze de mechanische eigenschappen van grafeen-aerogels met melamineschuim als skelet in verschillende modi, waaronder compressie, buiging en spanning, om hun mechanische eigenschappen uitgebreid te evalueren.
Om de robuustheid en duurzaamheid onder daadwerkelijke toepassingsomstandigheden verder te verifiëren, voerde het onderzoeksteam testen uit onder verschillende extreme omstandigheden.
Concreet bogen ze het monster 20 keer achter elkaar in lucht en water, dompelden het onder in zure en alkalische oplossingen en plaatsten het in extreme omstandigheden zoals hoge temperaturen en ultrasoon roeren.
Na deze strenge testen vonden ze geen significante veranderingen in het uiterlijk en de microstructuur van het monster, wat de uitstekende duurzaamheid en structurele stabiliteit ervan volledig aantoonde.
Focus op vereenvoudiging en economische verbetering van productieprocessen
Om het productieproces van de verdamper te vereenvoudigen en de kosten te drukken en het gebruik van dure apparatuur te vermijden, hebben ze de volgende voorbereidingsstappen ontworpen:
De eerste stap is het warmpersen
Met behulp van warmperstechnologie perste het onderzoeksteam melamineschuim van verschillende diktes samen om een voorgeperste melaminefolie te verkrijgen met een dikte van 1 mm.
Tijdens dit proces, waarbij de verhouding tussen de oorspronkelijke dikte van het monster en de uiteindelijke gecomprimeerde dikte toeneemt, wordt de poriegrootte van de voorgeperste melaminefilm nauwkeurig gereguleerd van 150 μm tot 20 μm , waardoor een unieke driedimensionale gradiëntnetwerkstructuur ontstaat.
De tweede stap is het bespuiten van het oppervlak
Gebruik een spuitfles om de grafeenoxidesuspensie gelijkmatig op het oppervlak van de voorgeperste melaminefilm te spuiten . Hierdoor werd een uniforme verdeling van grafeenoxide in de film bereikt, wat de basis vormde voor de daaropvolgende reductie met zonnecellen.
De derde stap is het drogen onder atmosferische druk
Na het spuiten plaatsten ze de film direct in de lucht voor natuurlijke droging. Deze stap vermijdt de complexe, tijdrovende en energieverslindende voorbereidingsprocessen zoals vriesdrogen, superkritisch drogen en het vervangen van oplosmiddelen.
De vierde stap is het verminderen van zonlicht
Dat wil zeggen, met behulp van een vergrootglas wordt zonlicht op het monster gericht. Onder invloed van ultraviolette straling verandert de kleur van het monsteroppervlak snel van bruin naar zwart, wat aangeeft dat het grafeenoxide succesvol is gereduceerd tot gereduceerd grafeenoxide.
Deze zonnereductiemethode is niet alleen eenvoudig te bedienen en milieuvriendelijk, maar vereist ook geen gebruik van chemische reductiemiddelen of thermische reductieprocessen met hoge temperaturen, waardoor de productiekosten en de milieuvervuiling aanzienlijk worden verlaagd.
Focus op efficiënte absorptie van zonne-energie en minimalisatie van energieverlies
Zonneverdampers moeten niet alleen een breed scala aan zonne-energie absorberen en omzetten in thermische energie, maar ook energieverlies door diffuse reflectie en thermische straling minimaliseren en extra energie uit de omgeving opvangen. Het verdampingsproces aan de zonkant wordt aangestuurd door drie energiestromen: de instroom van zonne-energie, de uitstroom van verdampingsenergie en de energie die aan de omgeving wordt afgegeven.
Helaas hebben conventionele tweedimensionale zonneverdampers te kampen met energieverlies door warmte-uitwisseling met de omgeving, waardoor het lastig is om de ideale 100% omzettingsefficiëntie van zonlicht naar stoom te bereiken. Driedimensionale zonneverdampers daarentegen kunnen de theoretische limiet van de omzettingsefficiëntie van zonlicht naar stoom overschrijden.
Om het energieverlies door diffuse reflectie en thermische straling op het bovenoppervlak van het driedimensionale monster te beperken, ontwierp het team een driedimensionale spiraalvormige concave grafeen-aerogel.
Deze structuur heeft niet alleen een hogere absorptie en een lagere reflectie, maar de zijwanden kunnen ook omgevingswarmte en warmte die diffuus van de bodem wordt weerkaatst absorberen, waardoor effectieve energieterugwinning mogelijk is.
Focus op optimalisatie van zouttolerantie en beheer van zoutkristallisatie
Dat wil zeggen: door een uniek transportkanaal te ontwerpen, wordt het radiale transport van pekel bevorderd, wat leidt tot gerichte kristallisatie van zout. Dit ontwerp voorkomt niet alleen effectief de afzetting en verstopping van zout op het verdamperoppervlak, maar zorgt ook voor een effectieve verzameling en benutting van zout, wat de efficiëntie en duurzaamheid van het ontziltingsproces aanzienlijk verbetert.
Concreet ontwierpen en prepareerden ze een driedimensionale, gradiënt-grafeennetwerkstructuur op basis van een voorgeperste poreuze melaminefilm . Dit gradiënt-grafeennetwerk, dat aan de binnenkant dun en aan de buitenkant dicht is, kan een radiaal capillair krachtverschil creëren, wat het radiale transport van pekel bevordert. Naarmate er stoom wordt gegenereerd, verhoogt de radiale stroming van pekel de pekelconcentratie aan het buitenoppervlak, waardoor het zout gericht kristalliseert aan het buitenoppervlak in plaats van aan het binnenoppervlak. Dit ontwerp zorgt ervoor dat het binnenoppervlak van de verdamper voldoende verdampingsoppervlak behoudt, waardoor efficiënte en stabiele zonneverdamping wordt bereikt.
Het is de moeite waard om te vermelden dat de verdamper zijn gehele buitenoppervlak gebruikt voor zoutkristallisatie, waardoor het kristallisatieoppervlak veel groter is dan bij andere gerichte kristallisatieverdampers.
Zoutkristallen bestaan hoofdzakelijk uit los gepakte zoutkristallen met veel poriën, die nuttig zijn voor het transport van pekel en het vrijkomen van stoom.
Bovendien is de oppervlaktetemperatuur van de zoutlaag, dankzij het verdampingskoeleffect, lager dan de omgevingstemperatuur. Deze eigenschap zorgt ervoor dat de verdamper meer energie uit de omgeving kan absorberen, wat de verdampingsprestaties verder verbetert.
Bron van het artikel: Deep Tech
De onderzoeksgroep: Shandong First Medical University Team Research Group
Het artikel is afkomstig van: https://www.163.com/dy/article/J1RENDEH05119734.html
Voor meer informatie over SINOYQX melamineschuim kunt u contact met ons opnemen via [email protected] of telefonisch via +86-28-8411-1861.
Sommige afbeeldingen en teksten zijn overgenomen van het internet en het copyright is van de oorspronkelijke auteur. Als er sprake is van inbreuk, neem dan contact met ons op om deze te verwijderen.