Als duurzame manier om waterbronnen te benutten, heeft ontzilting met behulp van zonne-energie een groot potentieel om het probleem van onvoldoende zoetwaterbronnen op te lossen en watertekorten te verlichten. Traditionele ontziltingstechnologie voor zeewater kent echter vaak problemen zoals een hoog energieverbruik, complexe apparatuur en hoge kosten.
De afgelopen jaren hebben nieuwe technologieën voor ontziltingscoating op basis van nanomaterialen geleidelijk de aandacht van onderzoekers getrokken. Grafeenoxide-gereduceerd grafeen, als nieuw tweedimensionaal materiaal, heeft een aanzienlijk potentieel getoond voor ontzilting met zonne-energie.
Vergeleken met traditionele ontziltingscoatingmaterialen heeft rGO de voordelen van uitstekende geleidbaarheid, hoog specifiek oppervlak en goede chemische stabiliteit. Verwacht wordt dat rGO de ontziltingsefficiëntie zal verbeteren en het energieverbruik zal verminderen.
rGO zelf heeft echter problemen met aggregatie en afzetting, wat de activiteit en stabiliteit ervan vermindert. Daarom is het fixeren van rGO op schuimmaterialen om een melamineschuim /rGO-composietcoating te vormen een effectieve manier geworden om de efficiëntie en stabiliteit van ontzilting te verbeteren.
Door oppervlaktemodificatie en versterking van de dragereigenschappen van het schuimmateriaal hebben we rGO gelijkmatig op het schuimoppervlak gefixeerd om het contactoppervlak met zoutionen in het water te vergroten. Tegelijkertijd worden de structuur en dikte van de rGO-coating gecontroleerd om de efficiëntie en stabiliteit van de ontzilting te optimaliseren.
Om het ontziltingsmechanisme beter te begrijpen, hebben we ook een schuim met gereduceerd grafeenoxide (rGO) geproduceerd. Melamineschuim met grafeentrioxidecoating heeft een inherente poreuze microstructuur en hydrofiliteit, waardoor het goed bevochtigbaar is en water naar de verdampingszone kan trekken. Dit zorgt voor een snelle wateraanvulling en voorkomt zoutneerslag.
Het grensvlakverdampingssysteem van grafeenoxide-gecoat melamineschuim kan een steady-state verdampingsrendement van 89.6% bereiken met 1 kW m−2 zonnebrandstof. Dit grensvlakverdampingssysteem heeft een hoge omzettingsefficiëntie van zonlicht naar warmte en een goede stabiliteit op lange termijn, wat potentieel biedt voor commerciële ontzilting van zeewater.
De wereldwijde energiecrisis en het watertekort vormen momenteel een grote bedreiging voor de duurzame ontwikkeling van de menselijke samenleving. Om aan de groeiende energievraag te voldoen, krijgt de ontwikkeling van diverse hoogwaardige technologieën voor energieomzetting en waterzuivering steeds meer aandacht.
Op zonne-energie werkende grensvlakverdampingstechnologie
Zonne-energie is een veelbelovende hernieuwbare energiebron dankzij de extreem grote capaciteit, universaliteit, zuiverheid en multifunctionele conversiemogelijkheden. Het heeft de potentie aangetoond om fossiele brandstoffen te vervangen die voorheen alleen door fossiele brandstoffen werden gebruikt.
Naast de technologie voor het opwekken van elektrische energie met behulp van fotovoltaïsche technologie, absorbeert de technologie voor het omzetten van zonne-thermische energie ook zonne-energie en zet deze om in thermische energie. Dit wordt beschouwd als een eenvoudige en effectieve manier om zonne-energie te gebruiken.
De thermische energie die uit zonne-energie wordt omgezet, kan belangrijke industriële processen aandrijven, zoals zonnethermische energiecentrales, ontzilting op zonne-energie, sterilisatie, waterverwarmingssystemen op zonne-energie en andere warmtegerelateerde toepassingen. Ontzilting op zonne-energie biedt een effectieve oplossing, vooral voor gebieden zonder infrastructuur, omdat het zoet water uit zeewater kan winnen zonder extra energie te verbruiken.
De afgelopen jaren heeft zonne-energiegestuurde grensvlakverdampingstechnologie het proces van zonnewarmteomzetting op het vloeistof-damp-grensvlak gelokaliseerd en is het een nieuwe technologie voor het benutten van zonne-energie geworden. Vergeleken met traditionele integrale verwarming vertonen grensvlakverdampingssystemen een hogere verdampingsefficiëntie en een snellere thermische respons en vormen ze een potentieel alternatief voor het ontzilten van zeewater.
Tot nu toe zijn er veel studies uitgevoerd naar het verbeteren van de thermische prestaties van grensvlakverdampingssystemen. Een typisch door de zon aangedreven grensvlakverdampingssysteem bestaat uit drie belangrijke onderdelen:
Een zonneabsorber met een hoge zonne-absorptie die zonnestraling efficiënt omzet in warmte-energie; een isolator die de omgezette warmte overdraagt aan het water; en een watertoevoerpad dat continu water uit het water naar het oppervlak van de zonneabsorber trekt.
In eerdere studies hebben veel onderzoekers zich toegelegd op het verbeteren van de algehele efficiëntie van de omzetting van zonne-energie in stoom door breedbandige en zonne-energieabsorberende materialen te synthetiseren, het ontwerp van nieuwe watertoevoerroutes te optimaliseren en thermische isolatiestructuren te verbeteren.
Tot nu toe zijn door de zon aangestuurde grensvlakverdampingssystemen gebruikt in tal van industriële processen, zoals geïnduceerde zonnedestillatie, zonnesterilisatie, ontzilting en zonne-energieopwekking. Om een hoge verdampingsprestatie van het systeem te bereiken, is het belangrijk om de breedbandabsorptie over het hele zonnespectrum van zonne-absorberende materialen te onderzoeken.
De zonne-energieabsorberende materialen die ontwikkeld en onderzocht worden in door de zon aangestuurde grensvlakverdampingssystemen, omvatten voornamelijk koolstofhoudende materialen, plasmonische deeltjes en spectraal selectieve absorberende materialen. Natuurlijke zwarte en koolstofhoudende materialen hebben een sterk vermogen om zonnewarmte om te zetten en zijn geschikt voor breedband- en hoogintensieve zonne-absorberende materialen.
Vanwege hun hoge absorptievermogen, lage kosten en goede stabiliteit zijn veel koolstofgebaseerde zonneabsorbers onderzocht, waaronder koolstofnanobuizen, grafiet en gereduceerd grafeenoxide. Na jarenlange ontwikkeling heeft het systeem een rendement van meer dan 90% bereikt bij de omzetting van zonlicht in stoom onder daglicht.
Hoewel er grote verbeteringen zijn geweest in de ontwikkeling van materialen die zonne-energie absorberen en het ontwerp van interfaceverdampingsstructuren, waren de meeste eerder gerapporteerde ontziltingsinstallaties op zonne-energie te wijten aan zoutophoping op het bovenoppervlak van de verdamper tijdens het ontziltingsproces. Het opgehoopte zout blokkeert de absorptie van zonlicht en blokkeert de poreuze verdamper, wat resulteert in een lage efficiëntie van de omzetting van zonlicht in warmte en slechte verdampingsprestaties.
Voor het verwijderen van opgehoopte zouten worden doorgaans traditionele fysische methoden gebruikt, zoals ultrasone golven en onderdompeling in water. Deze methoden kunnen echter gemakkelijk schade aan de verdampingsstructuur van het grensvlak veroorzaken.
Om de ophoping van zout in grensvlakverdampingssystemen te verminderen, hebben veel studies zich gericht op de ontwikkeling van hydrofobe verdamping. Hydrofobe verdampers beperken echter de watertoevoer naar het bovenoppervlak, waardoor de verdampingsprestaties van het systeem afnemen. Een andere manier om dit probleem op te lossen, is door een hydrofiele verdamper te gebruiken, die overtollig zout van het bovenoppervlak naar het water in de bulk verplaatst.
Tot op heden hebben veel studies zich gericht op het ontwerpen van hydrofiele verdampers, zoals hydrofiele membranen van celluloseweefsel, hydrofiele membranen op papierbasis en bio-geïnspireerde verdampers. Het ontwikkelen van een op de lange termijn stabiel en zeer efficiënt, op zonne-energie werkend grensvlakverdampingssysteem blijft echter een aanzienlijke uitdaging.
In deze studie demonstreren we een zoutbestendig, uiterst efficiënt zonlichtabsorberend en snel thermisch reagerend schuim van gereduceerd grafeenoxide (rGO) voor op de zon gebaseerde ontzilting van het grensvlak onder laagfluorescentiezonlicht.
In de nieuwe poreuze structuur werd hydrofiel melamineschuim (MF) als basis gekozen, wat niet alleen het oppervlak voor zonne-absorptie vergroot, maar ook de meervoudige verstrooiing verbetert.
De oppervlaktehydrofiliteit en porositeit van het met gereduceerd grafeenoxide gecoate melamineschuim zorgen voor voldoende bevochtiging en smelting van de zonne-warmteconversiezone en voor een snelle aanvulling van water, terwijl de ophoping van zouten wordt vermeden.
Door gebruik te maken van de hoge prestaties van melamineschuim met een coating van gereduceerd grafeenoxide, is het op zonne-energie werkende interfacesysteem in staat om een omzettingspercentage van zonlicht in stoom van 89.6% te bereiken.
Door melamineschuim met gereduceerd grafeenoxidecoating te integreren in commerciële zonne-energie, hebben we bovendien een op zonne-energie werkend systeem voor het ontzilten van zeewater ontworpen en gefabriceerd met een omzettingsrendement van 56.4% van zonlicht naar water bij daglicht. Dankzij de ontzilting door zonne-energie voldoet het verzamelde schone water aan de vereiste drinkkwaliteit.
Dankzij de superieure verdampingsprestaties en de schaalbaarheid van materialen die zonlicht omzetten in thermische energie, biedt dit systeem voor op zonlicht gebaseerde ontzilting van zeewater aan het grensvlak brede toepassingsmogelijkheden in de praktijk van ontzilting van zeewater.
Schaalbaarheid van warmteoverdrachtsmaterialen voor ontzilting door zonne-energie
Een grensvlakverdampingssysteem gebaseerd op gereduceerd grafeenoxide-gecoat melamineschuim. Het grafeenoxide-gecoat melamineschuim bevindt zich in het midden en is aan de buitenkant omhuld door een laag polyethyleen (PE)-schuim, waardoor een zelf-bubbelend grensvlakverdampingssysteem ontstaat.
Melamineschuim gecoat met tellurium-gereduceerd grafeenoxide wordt gebruikt om snel invallende zonnestraling te absorberen, zonne-energie om te zetten in warmte en een drijvende kracht te genereren voor grensvlakverdamping. Aan de andere kant kan hydrofiel, met grafeenoxide gecoat melamineschuim continu pekel in de verdampingszone trekken.
De poreuze structuur van het met grafeentrioxide gecoate melamineschuim zorgt ervoor dat de gegenereerde damp in de omgeving kan ontsnappen, wat de opname van zonlicht bevordert en zo de efficiëntie van de omzetting van zonlicht in warmte verhoogt. Het met gereduceerd grafeenoxide gecoate melamineschuim is poreus en hydrofiel, waardoor het water kan opnemen in de hierboven beschreven verdampingsstructuur en tegelijkertijd geconcentreerde zouten kan afbreken en terug kan brengen naar het zeewater.
Tijdens het verdampingsproces is de zoutconcentratie in het schuim hoger dan de concentratie van zeewater op de bodem. Door deze concentratieveranderingen lost het zout op in het water. Bovendien vermindert het omringende polyethyleenschuim niet alleen de afzetting van het met grafeenoxide gecoate melamineschuim , maar hoopt het zich ook op aan het wateroppervlak, waardoor warmteverlies door het omringende zoutwater wordt tegengegaan.
Interfaceverdampingssystemen kunnen continu en efficiënt op wateroppervlakken werken zonder dat er complexe constructies nodig zijn. Bovendien kan het interfaceverdampingssysteem, doordat verdamping plaatsvindt aan het gas-vloeistofgrensvlak, autonoom bewegen wanneer het grensvlak zich terugtrekt.
Melamineschuim gecoat met tellurium-gereduceerd grafeenoxide is een belangrijk onderdeel van het grensvlakverdampingssysteem. Melamineschuim werd ondergedompeld in een colloïdale suspensie van grafeenoxide om melamineschuim gecoat met gereduceerd grafeenoxide te bereiden, waarna grafeenoxide met behulp van een hydrothermische methode werd gereduceerd tot gereduceerd grafeenoxide.
Melamineschuim met een gereduceerde grafeenoxide-coating, een diameter van 3.5 cm en een dikte van 1.6 cm, is eenvoudig te bewerken en heeft een diepzwarte kleur.
De oppervlakteruwheid van het met gereduceerd grafeenoxide gecoate melamineschuimmateriaal, waargenomen met een driedimensionale optische microscoop, vertoonde een hoogtevariatie van meer dan 300 μm. De ruwe oppervlaktestructuur van composieten voor thermische conversie van zonne-energie wordt voornamelijk toegeschreven aan de poreuze structuur van melamineschuim, en het gemodificeerde gereduceerde grafeenoxide verhoogt tevens de oppervlakteruwheid.
Oppervlakteruwheid vergroot het absorptieoppervlak van de zon en vergroot tegelijkertijd de meervoudige verstrooiing van invallend zonlicht, waardoor de efficiëntie van de omzetting van zonlicht in warmte van het systeem verbetert. Microstructuur van het geprepareerde melamineschuim bij verschillende vergrotingen. Het met grafeenoxide gecoate melamineschuimoppervlak vertoont een gerimpelde en onderling verbonden netwerkstructuur.
De poriegrootte van rGO-gecoat melamineschuim ligt tussen de 20 en 40 μm. De open poriënstructuur en het gerimpelde oppervlak vergemakkelijken de afzetting van grafeenoxide. Het gereduceerde grafeenoxide-gecoate melamineschuim heeft een goede waterbevochtigbaarheid dankzij de hydrofiliteit van het poreuze melamineschuim.
Zodra een waterdruppel het oppervlak van het met gereduceerd grafeenoxide gecoate melamineschuim raakt, wordt deze binnen 0.5 seconde volledig geabsorbeerd. Het hydrofiele oppervlak van composieten met gereduceerd grafeenoxide kan de drainage binnen de poreuze structuur snel geleiden. De porositeit van het met gereduceerd grafeenoxide gecoate melamineschuim werd bepaald door de massaveranderingen vóór en na waterabsorptie te vergelijken.
De porositeit van met grafeenoxide gecoat melamineschuim kan 85.55% bereiken. De absorptie van zonne-energie door met gereduceerd grafeenoxide gecoat melamineschuim heeft een directe invloed op de omzettingsefficiëntie van het systeem in zonne-energie. Om de zoutbestendigheid te evalueren, werd met gereduceerd grafeenoxide gecoat melamineschuim in een natriumchlorideoplossing (3.5 gew.%) geplaatst.
Vervolgens werd 3 gram vast natriumchloride op het bovenoppervlak aangebracht en werd het met Tergo gecoate melamineschuim geplaatst bij een zonnedichtheid van 1 kW m−2. De hoeveelheid vast zout lost na 120 minuten geleidelijk op.
Wanneer zonlicht op het bovenoppervlak van het met rGO gecoate melamineschuim schijnt , stijgt de temperatuur van het schuim binnen enkele minuten snel en blijft deze gedurende het verdampingsproces op 35 °C. Omdat de oplosbaarheid van zout temperatuurafhankelijk is, lost het zout sneller op naarmate de temperatuur hoger is, waardoor het zoutijzer weer in het oppervlaktewater kan oplossen.
In melamineschuim met gereduceerd grafeenoxide, dat talrijke poriën heeft met een hoog waterabsorptievermogen en een continue watertoevoer naar het bovenoppervlak kan garanderen, kunnen zouten zich van het bovenoppervlak naar de onderliggende waterlaag verplaatsen. Temperatuurveranderingen leiden tot veranderingen in het zoutgehalte tussen het bovenste verdampingsoppervlak en het lichaam.
Om een breedbandige en efficiënte absorptie van zonne-energie te verkrijgen, werd melamineschuim gemodificeerd met poreus hydrofiel melamineschuim. Hierdoor werd het absorptieoppervlak van de zon vergroot en de meervoudige verstrooiing vergroot.
Het zonne-interfaceverdampingssysteem op basis van rGO-gecoat melamineschuim vertoont een snelle thermische respons bij een zonne-energiedichtheid van 1 kW m−2, waarbij een steady-state thermische omzettingsefficiëntie van 89.6% wordt bereikt.
Tot slot integreerden we een met gereduceerd grafeenoxide gecoate melamineschuimverdamper in een zonne-destillatietoestel, dat 56.4% drinkwater met zoutaccumulatie bij 1 kW m−2 kan produceren.
Wij verwachten dat dit op zonne-energie werkende ontziltingsapparaat op afgelegen eilanden of in de oceaan kan worden gebruikt om drinkwater te winnen uit overvloedig zeewater of andere zoutwaterbronnen.
Conclusie
Ontziltingstechnologie met rGO-coating en melamineschuim, een innovatieve en efficiënte ontziltingstechnologie op basis van zonne-energie, heeft een groot potentieel en veel toepassingsmogelijkheden. Het kan niet alleen betrouwbare zoetwaterbronnen leveren voor gebieden met waterschaarste, maar ook de afhankelijkheid van traditionele energiebronnen verminderen, het energieverbruik en de milieuvervuiling verminderen.
De resultaten van dit onderzoek zullen een belangrijke bijdrage leveren aan de oplossing van het wereldwijde tekort aan zoetwaterbronnen en de realisatie van duurzame ontwikkeling bevorderen.
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.