Güneş enerjisiyle çalışan arayüzey buharlaştırma (SIE), tatlı su kıtlığını hafifletmek için en umut vadeden teknolojilerden biri olarak kabul edilmektedir; çünkü güneş enerjisini tatlı su üretmek için verimli bir şekilde kullanabilmektedir. Ayrıca, güneş enerjili buharlaştırıcılar, konsantre tuzlu atık suların arıtılmasında benzersiz avantajlara sahiptir . Buharlaştırma işlemi yalnızca tuz kristallerini yan ürün olarak üretir, böylece sıfır sıvı deşarjı sağlanır. Bununla birlikte, buharlaştırıcıda tuz birikmesi, ışığın emilimini engelleyecek ve buharın çıkışını etkileyecek, sonuç olarak buharlaştırıcının buharlaşma performansında azalmaya veya hatta arızaya yol açacaktır.
Bu sorunu hafifletmek için bazı araştırmacılar bir "tuz sirkülasyonu" stratejisi önerdiler. Yani, çözelti için bir sirkülasyon yolu tasarlanarak tuz iyonlarının tuzlu suya geri akması sağlanır, böylece tuzun buharlaşma yüzeyinde kristalleşmesi önlenir ve böylece sürekli ve kararlı buharlaşma sağlanır. Ancak bu yöntem çözeltinin tuzluluğunun artmasına neden olur ve tuz kristalleşmesi sorunu hala kaçınılmazdır.
Başka bir çözüm de "tuzlama" stratejisidir. Yani yapı, tuzun buharlaşmayan alanda tercihen kristalleşmesi için düzenlenir, böylece tuz kristalleşmesinin buharlaşma performansı üzerindeki etkisi azaltılır ve böylece tuz ve tatlı suyun aynı anda toplanması sağlanır. Ancak "tuzlama" stratejisi pratik uygulamada hala bazı ciddi zorluklarla karşı karşıyadır.
Birincisi, tek boyutlu tuzlu su taşıması, emici kapasiteyi sınırlar ve genel buharlaşma oranını önemli ölçüde azaltır. İkincisi, tuz kristalleşme stratejisi, güçlü yapışmaları nedeniyle buharlaştırıcı yüzeyinden otomatik olarak düşmesi zor olan tuz kristallerinin düzenli olarak çıkarılmasını gerektirir. Biriken tuz zamanında çıkarılmazsa, buharlaşma performansı kaçınılmaz olarak azalacaktır. Ek olarak, birçok yüksek verimli güneş buharlaştırıcısı, yüksek basınç, düşük vakum veya yüksek sıcaklıkta ısıl işlemler gibi tehlikeli veya zaman alıcı hazırlama süreçleri gerektirir.
Bu nedenle, sıfır sıvı deşarjlı tuzdan arındırma için basit bir hazırlama süreciyle uzun vadeli, verimli ve istikrarlı su buharlaştırma ve tuz toplama sağlayan dayanıklı bir güneş buharlaştırıcısı geliştirmek, henüz başarılmamış bir bilimsel hedeftir.
Yukarıdaki zorluklara dayanarak, Shandong Birinci Tıp Üniversitesi araştırma ekibi, yüksek konsantrasyonlu tuzlu suyun verimli bir şekilde güneş enerjisiyle buharlaştırılmasını ve sıfır sıvı deşarjını sağlayabilen üç boyutlu bir gradyan grafen spiral aerojel buharlaştırıcısı hazırladı.
Güneş enerjisi buharlaştırıcılarının verimli güneş emilimi, tam enerji kullanımı, mükemmel tuz direnci ve uzun vadeli istikrar açısından sıkı gereksinimlerini karşılamak amacıyla, proje tasarımı esas olarak aşağıdaki dört temel noktaya odaklanmaktadır:
Yapısal tasarım ve kimyasal kararlılığın artırılmasına odaklanın
Güneş enerjisiyle çalışan tuzdan arındırma işleminin uzun vadeli, verimli ve istikrarlı bir şekilde gerçekleştirilmesi için, buharlaştırıcının güçlü bir ağ yapısına ve kimyasal kararlılığa sahip olması çok önemlidir. Bu nedenle, güneş enerjili buharlaştırıcının destekleyici iskeleti olarak düşük maliyetli, süper hidrofilik, yüksek gözenekliliğe ve yüksek esnekliğe sahip melamin köpük seçilmiştir.
Daha sonra, iskeleti melamin köpük olan grafen aerojellerin mekanik özelliklerini, sıkıştırma, bükme ve çekme dahil olmak üzere çeşitli modlarda inceleyerek mekanik özelliklerini kapsamlı bir şekilde değerlendirdiler.
Gerçek uygulama koşulları altında sağlamlığını ve dayanıklılığını daha ileri düzeyde doğrulamak amacıyla araştırma ekibi, çeşitli aşırı koşullar altında testler gerçekleştirdi.
Özellikle, numuneyi havada ve suda 20 kez büktüler, asidik ve alkali çözeltilere batırdılar ve yüksek sıcaklık ve ultrasonik karıştırma gibi zorlu ortamlara yerleştirdiler.
Yapılan titiz testler sonucunda numunenin görünümünde ve mikro yapısında önemli bir değişiklik olmadığı, bunun da numunenin mükemmel dayanıklılığını ve yapısal kararlılığını tam olarak ortaya koyduğu görüldü.
Üretim süreçlerinin basitleştirilmesine ve ekonomik olarak iyileştirilmesine odaklanın
Buharlaştırıcı üretim sürecinde basitlik ve ekonomi sağlamak ve pahalı ekipman kullanımından kaçınmak için aşağıdaki hazırlama adımlarını tasarladılar:
İlk adım sıcak preslemedir
Araştırma ekibi, sıcak presleme teknolojisini kullanarak farklı kalınlıklardaki melamin köpüklerini sıkıştırarak 1 mm kalınlığında önceden preslenmiş melamin film elde etti.
Bu işlem sırasında, numunenin orijinal kalınlığının nihai sıkıştırılmış kalınlığına oranı arttıkça, önceden preslenmiş melamin filmin gözenek boyutu 150 μm'den 20 μm'ye kadar hassas bir şekilde düzenlenerek benzersiz bir üç boyutlu gradyan ağ yapısı oluşturulur.
İkinci adım yüzey püskürtmedir
Graphene oksit süspansiyonunu, önceden preslenmiş melamin filmin yüzeyine bir sprey şişesi kullanarak eşit şekilde püskürtün . Filmin içinde graphene oksidin homojen dağılımı sağlandı ve bu da sonraki güneş enerjisiyle indirgeme işlemleri için temel oluşturdu.
Üçüncü adım atmosferik basınçta kurutmadır
Püskürtme işleminden sonra, filmi doğal hava kurutması için doğrudan havaya yerleştirdiler. Bu adım, dondurarak kurutma, süperkritik kurutma ve çözücü değiştirme gibi karmaşık, zaman alıcı ve enerji tüketen hazırlık süreçlerinden kaçınılmasını sağlar.
Dördüncü adım güneş ışığının azaltılmasıdır
Yani, güneş ışığını numuneye odaklamak için bir büyüteç kullanmak. Ultraviyole ışınlarının etkisi altında, numune yüzeyinin rengi hızla kahverengiden siyaha döner ve bu da grafen oksidin indirgenmiş grafen okside başarılı bir şekilde indirgendiğini gösterir.
Bu güneş enerjisiyle indirgeme yöntemi, hem kullanımı kolay hem de çevre dostudur; ayrıca kimyasal indirgeyici maddelerin veya yüksek sıcaklıkta termal indirgeme işlemlerinin kullanımını gerektirmez, bu da üretim maliyetlerini ve çevre kirliliğini önemli ölçüde azaltır.
Verimli güneş enerjisi emilimine ve enerji kaybının en aza indirilmesine odaklanın
Güneş buharlaştırıcıları yalnızca geniş bir yelpazedeki güneş enerjisini emip termal enerjiye dönüştürmekle kalmamalı, aynı zamanda dağınık yansıma ve termal radyasyondan kaynaklanan enerji kayıplarını en aza indirmeli ve çevreden ek enerji yakalamalıdır. Güneş arayüzündeki buharlaşma süreci üç enerji akışı tarafından kontrol edilir: güneş enerjisi girişi, buharlaşma enerjisi çıkışı ve çevreye dağıtılan enerji.
Ne yazık ki, geleneksel iki boyutlu güneş buharlaştırıcıları, çevreyle ısı alışverişi nedeniyle enerji dağılımı sorunlarıyla karşı karşıyadır ve bu da ideal %100 güneşten buhara dönüşüm verimliliğine ulaşmayı zorlaştırır. Buna karşılık, üç boyutlu güneş buharlaştırıcıları, güneşten buhara dönüşüm verimliliğinin teorik sınırını aşabilir.
Üç boyutlu numunenin üst yüzeyinde dağınık yansıma ve termal radyasyondan kaynaklanan enerji kaybını azaltmak için ekip, üç boyutlu spiral içbükey grafen aerojel tasarladı.
Bu yapı sadece daha yüksek emiciliğe ve daha düşük yansıtma özelliğine sahip olmakla kalmıyor, aynı zamanda yan duvarları ortam ısısını ve alttan dağınık şekilde yansıyan ısıyı emebiliyor, böylece etkili bir enerji geri kazanımı sağlıyor.
Tuz toleransı optimizasyonuna ve tuz kristallenmesi yönetimine odaklanın
Yani; benzersiz bir taşıma kanalı tasarlayarak, tuzlu suyun radyal taşınması desteklenir ve bu da tuzun yönlü kristalleşmesine yol açar. Bu tasarım, tuzun buharlaştırıcı yüzeyinde birikmesini ve tıkanmasını etkili bir şekilde önlemekle kalmaz, aynı zamanda tuzun etkili bir şekilde toplanmasını ve kullanılmasını da gerçekleştirir ve böylece tuzdan arındırma işleminin verimliliğini ve sürdürülebilirliğini önemli ölçüde iyileştirir.
Özellikle, önceden preslenmiş melamin gözenekli filme dayalı üç boyutlu gradyan grafen ağ yapısı tasarlayıp hazırladılar . İç kısımda seyrek, dış kısımda yoğun olan bu gradyan grafen ağı, radyal kılcal kuvvet farkı oluşturarak tuzlu suyun radyal taşınmasını teşvik eder. Buhar üretimi devam ettikçe, tuzlu suyun radyal akışı dış yüzey alanındaki tuzlu su konsantrasyonunu artırarak tuzun iç yüzey yerine dış yüzeyde yönlü kristalleşmesine neden olur. Bu tasarım, buharlaştırıcının iç yüzeyinin yeterli buharlaşma alanını korumasını sağlayarak verimli ve istikrarlı güneş enerjisiyle buharlaşmayı mümkün kılar.
Buharlaştırıcının tuz kristallenmesi için tüm dış yüzeyini kullandığını, dolayısıyla kristallenme alanının diğer yönlü kristallenme buharlaştırıcılarına göre çok daha büyük olduğunu belirtmekte fayda var.
Tuz kristalleri çoğunlukla tuzlu suyun taşınması ve buharın salınması için yararlı olan bol gözenekli, gevşek bir şekilde paketlenmiş tuz kristallerinden oluşur.
Ayrıca buharlaştırıcı soğutma etkisi nedeniyle tuz tabakasının yüzey sıcaklığı ortam sıcaklığından düşüktür. Bu özellik buharlaştırıcının ortamdan daha fazla enerji emmesini sağlayarak buharlaşma performansını daha da iyileştirir.
Makale kaynağı: Deep Tech
Araştırma grubu: Shandong First Medical University Takım Araştırma Grubu
Makale şu adresten alıntılanmıştır: https://www.163.com/dy/article/J1RENDEH05119734.html
SINOYQX Melamin Köpük hakkında daha fazla bilgi için lütfen [email protected] adresinden bize ulaşın veya +86-28-8411-1861 numaralı telefondan bizi arayın.
Bazı resimler ve metinler internetten kopyalanmıştır ve telif hakkı orijinal yazara aittir. Herhangi bir ihlal varsa, lütfen silmek için bizimle iletişime geçin.