Su kaynaklarını kullanmanın sürdürülebilir bir yolu olarak güneş enerjisiyle tuzdan arındırma, yetersiz tatlı su kaynakları sorununu çözme ve su kıtlığını hafifletme konusunda büyük bir potansiyele sahiptir. Ancak, geleneksel deniz suyu tuzdan arındırma teknolojisi genellikle yüksek enerji tüketimi, karmaşık ekipman ve yüksek maliyet gibi sorunlara sahiptir.
Son yıllarda nanomalzemelere dayalı yeni tuzdan arındırma kaplama teknolojileri araştırmacıların dikkatini giderek çekmektedir. Yeni iki boyutlu bir malzeme olan grafen oksit indirgenmiş grafen, güneş enerjisiyle tuzdan arındırmada önemli bir potansiyel göstermiştir.
Geleneksel tuzdan arındırma kaplama malzemeleriyle karşılaştırıldığında rGO, mükemmel iletkenlik, yüksek özgül yüzey alanı ve iyi kimyasal kararlılık avantajlarına sahip olup, tuzdan arındırma verimliliğini artırması ve enerji tüketimini azaltması beklenmektedir.
Ancak, indirgenmiş grafen oksitin (rGO) kendisi de kümelenme ve çökelme sorunlarına sahiptir, bu da aktivitesini ve stabilitesini azaltır. Bu nedenle, melamin köpük /rGO kompozit kaplama oluşturmak için rGO'nun köpük malzemeler üzerine sabitlenmesi, tuzdan arındırma verimliliğini ve stabilitesini iyileştirmenin etkili bir yolu haline gelmiştir.
Yüzey modifikasyonu ve köpük malzemesinin taşıyıcı özelliklerinin güçlendirilmesiyle, rGO'yu köpük yüzeyine eşit şekilde sabitleyerek suyun içindeki tuz iyonlarıyla temas alanını artırdık. Aynı zamanda, rGO kaplamasının yapısı ve kalınlığı, tuzdan arındırma verimliliğini ve kararlılığını optimize etmek için kontrol edilir.
Tuzdan arındırma mekanizmasını daha derinlemesine anlamak için, indirgenmiş bir grafen oksit (rGO) köpüğü de hazırladık. Grafen trioksit kaplı melamin köpüğün doğal gözenekli bir mikro yapısı ve hidrofilikliği vardır, bu da iyi ıslanabilirliğe sahip olmasını ve buharlaşma alanına su çekebilmesini sağlar, böylece tuz çökelmesini önlerken suyun hızla yenilenmesini sağlar.
Grafen oksit kaplamalı melamin köpüğün arayüz buharlaştırma sistemi, 89.6kW m−1 güneş yakıtı altında %2'lık sabit durum buharlaştırma verimliliğine ulaşabilir. Bu arayüz buharlaştırma sistemi, yüksek güneşten ısıya dönüşüm verimliliğine ve iyi uzun vadeli kararlılığa sahiptir ve ticari deniz suyu tuzdan arındırma için potansiyel göstermektedir.
Günümüzde küresel enerji krizi ve su kıtlığı insan toplumunun sürdürülebilir gelişimi için büyük tehditler haline gelmiştir. Artan enerji talebini karşılamak için çeşitli yüksek performanslı enerji dönüşümü ve su arıtma teknolojilerinin geliştirilmesi giderek daha fazla ilgi görmektedir.
Güneş enerjili arayüz buharlaştırma teknolojisi
Umut vadeden bir yenilenebilir enerji kaynağı olarak güneş enerjisi, ultra büyük kapasitesi, evrenselliği, temizliği ve çok işlevli dönüşüm yetenekleri nedeniyle öne çıkmaktadır. Fosil yakıtlar tarafından tutulan fosil yakıtların yerini alma potansiyelini göstermiştir.
Doğrudan elektrik enerjisi üreten güneş fotovoltaik teknolojisinin yanı sıra, güneş enerjisini absorbe ederek termal enerjiye dönüştüren güneş-termal enerji dönüşüm teknolojisi de güneş enerjisinden yararlanmanın basit ve etkili bir yolu olarak kabul ediliyor.
Güneş enerjisinden dönüştürülen termal enerji, güneş termal santralleri, güneş tuzdan arındırma, sterilizasyon, güneş su ısıtma sistemleri ve diğer ısıyla ilgili uygulamalar gibi önemli endüstriyel süreçleri çalıştırabilir. Güneş tuzdan arındırma, özellikle altyapı eksikliği olan alanlar için etkili bir çözüm sunar çünkü ek enerji girişi olmadan deniz suyundan tatlı su çıkarabilir.
Son yıllarda, güneşle çalışan arayüz buharlaştırma teknolojisi, güneş-ısı dönüşüm sürecini sıvı-buhar arayüzünde konumlandırır ve yeni bir güneş enerjisi kullanım teknolojisi haline gelmiştir. Geleneksel integral ısıtma ile karşılaştırıldığında, arayüz buharlaştırma sistemleri daha yüksek buharlaştırma verimliliği ve daha hızlı termal tepki gösterir ve deniz suyu tuzdan arındırma için potansiyel bir alternatiftir.
Şimdiye kadar, arayüz buharlaştırma sistemlerinin termal performansını iyileştirmek için birçok çalışma yürütülmüştür. Tipik bir güneş enerjili arayüz buharlaştırma sistemi üç önemli parçadan oluşur:
Yüksek güneş emilimine sahip ve güneş radyasyonunu verimli bir şekilde ısı enerjisine dönüştüren bir güneş soğurucu; dönüştürülen ısıyı toplu suya aktaran bir yalıtkan; ve toplu sudan güneş soğurucunun yüzeyine sürekli olarak su çeken bir su temin yolu.
Önceki çalışmalarda, çok sayıda araştırmacı, geniş bantlı ve güneş enerjisi emici malzemeler sentezleyerek, yeni su temin yollarının tasarımını optimize ederek ve ısı yalıtım yapılarını iyileştirerek, genel güneş enerjisinden buhara dönüşüm verimliliğini artırmaya odaklanmıştır .
Şimdiye kadar, güneşle çalışan arayüz buharlaştırma sistemleri birçok endüstriyel işlemde, indüklenen güneş damıtma, güneş sterilizasyonu, güneş tuzdan arındırma ve güneş enerjisi üretiminde kullanılmıştır. Sistemin yüksek buharlaştırma performansına ulaşması için, güneş emici malzemelerin güneş spektrumu boyunca geniş bant emilimini araştırmak önemlidir.
Güneşle çalışan arayüz buharlaştırma sistemlerinde geliştirilen ve araştırılan güneş enerjisi emici malzemeler esas olarak karbonlu malzemeler, plazmonik parçacıklar ve spektral olarak seçici emici malzemeler içerir. Bunlar arasında doğal siyah ve karbonlu malzemeler güçlü güneş-ısı dönüşüm yeteneklerine sahiptir ve geniş bant ve yüksek yoğunluklu güneş emiciler için uygundur.
Yüksek güneş emilim oranları, düşük maliyetleri ve iyi kararlılıkları nedeniyle, karbon nanotüpler, grafit ve indirgenmiş grafen oksit dahil olmak üzere birçok karbon bazlı güneş emici incelenmiştir. Yıllar süren geliştirmeden sonra, sistemin gün ışığında güneşten buhara dönüşüm verimliliği %90'ın üzerine çıkmıştır.
Güneş enerjisi emen malzemelerin geliştirilmesinde ve arayüz buharlaştırma yapılarının tasarlanmasında büyük gelişmeler yaşanmış olsa da, daha önce bildirilen güneş tuzdan arındırma cihazlarının çoğu tuzdan arındırma işlemi sırasında buharlaştırıcının üst yüzeyinde tuz birikmesinden kaynaklanıyordu. Biriken tuz güneş emilimini ve gözenekli buharlaştırıcıyı engelleyerek düşük güneş-ısı dönüşüm verimliliği ve zayıf buharlaştırma performansıyla sonuçlanıyordu.
Birikmiş tuzların giderilmesinde genellikle ultrasonik dalgalar ve su daldırma gibi geleneksel fiziksel yöntemler kullanılsa da, bu yöntemler arayüz buharlaşma yapısına kolaylıkla zarar verebilmektedir.
Arayüz buharlaştırma sistemlerinde tuz birikimini azaltmak için birçok çalışma hidrofobik buharlaştırma geliştirmeye odaklanmıştır. Ancak hidrofobik buharlaştırıcılar su beslemesini üst yüzeyle sınırlar ve böylece sistemin buharlaştırma performansını düşürür. Bu sorunu çözmenin bir başka yolu da, fazla tuzu üst yüzeyden toplu suya taşıyan hidrofilik bir buharlaştırıcı kullanmaktır.
Bugüne kadar, birçok çalışma hidrofilik selüloz kumaş membranlar, kağıt bazlı hidrofilik membranlar ve biyolojik olarak ilham alan buharlaştırıcılar gibi hidrofilik buharlaştırıcılar tasarlamaya odaklanmıştır. Ancak uzun vadeli, kararlı ve yüksek verimli güneş enerjili arayüz buharlaştırma sistemi geliştirmek önemli bir zorluk olmaya devam etmektedir.
Bu çalışmada, düşük floresanlı güneş ışığı altında güneş enerjisiyle çalışan arayüz tuzdan arındırma için tuza dayanıklı, yüksek verimli güneş ışığını emen ve hızlı termal tepki veren indirgenmiş grafen oksit (rGO) köpüğünü gösteriyoruz.
Yeni gözenekli yapıda, güneş enerjisi emilimi için yüzey alanını genişletmekle kalmayıp aynı zamanda çoklu saçılmayı da artıran hidrofilik melamin köpük (MF) taban olarak seçilmiştir.
Azaltılmış grafen oksit kaplamalı melamin köpüğün yüzey hidrofilitesi ve gözenekliliği, güneş ısısı dönüşüm bölgesinin yeterli ıslatılmasını ve kaynaşmasını sağlarken, suyun hızla yenilenmesini sağlarken, tuz birikimini de önler.
Azaltılmış grafen oksit kaplı melamin köpüğün yüksek performansından yararlanan güneş enerjili arayüz sistemi, %89.6 oranında güneşten buhara dönüşüm oranına ulaşabiliyor.
Ayrıca, ticari güneş enerjisine indirgenmiş grafen oksit kaplamalı melamin köpüğü entegre ederek, gün ışığında %56.4'lük bir güneşten suya dönüşüm verimliliğine sahip güneşle çalışan bir arayüz deniz suyu tuzdan arındırma cihazı tasarladık ve ürettik. Güneşle tuzdan arındırma nedeniyle, toplanan temiz su içilebilir kalite gereksinimidir.
Üstün buharlaştırma performansı ve güneşten ısıya dönüşüm malzemelerinin ölçeklenebilirliği ile güneş enerjisiyle çalışan arayüzlü deniz suyu tuzdan arındırma sistemi, deniz suyu tuzdan arındırmanın pratik uygulamalarında geniş uygulama olanakları sunmaktadır.
Güneş enerjisiyle tuzdan arındırma ısı transfer malzemelerinin ölçeklenebilirliği
Azaltılmış grafen oksit kaplamalı melamin köpüğe dayalı bir arayüz buharlaştırma sistemi. Ter grafen oksit kaplamalı melamin köpük ortadadır ve dış tarafta bir polietilen (PE) köpük tabakasıyla sarılarak kendi kendine kabarcık oluşturan bir arayüz buharlaştırma sistemi oluşturulmuştur.
Tellür indirgenmiş grafen oksitle kaplanmış melamin köpük, gelen güneş ışınımını hızla emmek, güneş enerjisini ısıya dönüştürmek ve arayüz buharlaşması için bir itici güç oluşturmak için kullanılır. Öte yandan, hidrofilik indirgenmiş grafen oksit kaplı melamin köpük, buharlaşma bölgesine sürekli olarak tuzlu su çekebilir.
Grafen trioksit kaplı melamin köpüğünün gözenekli yapısı, üretilen buharın ortama kaçmasına izin vererek güneş ışığının yakalanmasını ve böylece güneşten ısıya dönüşüm verimliliğinin artmasını sağlar. Azaltılmış grafen oksit kaplı melamin köpüğü gözenekli ve hidrofiliktir, bu da yukarıda açıklanan buharlaşma yapısına su çekmesine izin verirken aynı anda yoğun tuzları toplu deniz suyuna geri parçalar.
Buharlaşma sürecinde, köpükteki tuz konsantrasyonu, dipteki deniz suyu konsantrasyonundan daha yüksektir. Konsantrasyondaki değişiklikler, tuzun su kütlesine karışmasına neden olur. Ek olarak, çevredeki polietilen köpük, grafen oksit kaplı melamin köpüğü azaltmakla kalmaz , aynı zamanda doğal olarak su yüzeyinde toplanarak çevredeki tuzlu suyun neden olduğu ısı kaybını engeller.
Arayüz buharlaştırma sistemleri, karmaşık yapı tasarımlarına ihtiyaç duymadan su yüzeylerinde sürekli ve verimli bir şekilde çalışabilir. Dahası, buharlaşma gaz-sıvı arayüzünde gerçekleştiğinden, arayüz geri çekildiğinde arayüz buharlaştırma sistemi otonom olarak hareket edebilir.
Tellür indirgenmiş grafen oksit kaplı melamin köpük, arayüz buharlaştırma sisteminin temel bir bileşenidir. Melamin köpük, indirgenmiş grafen oksit kaplı melamin köpük hazırlamak için grafen oksit kolloidal süspansiyonuna daldırıldı ve daha sonra grafen oksit, hidrotermal bir yöntem kullanılarak indirgenmiş grafen oksite indirgendi.
Çapı 3.5 cm, kalınlığı 1.6 cm olan indirgenmiş grafen oksit kaplamalı melamin köpük, üretimi kolay olup rengi koyu siyahtır.
Üç boyutlu optik mikroskop kullanılarak incelenen indirgenmiş grafen oksit kaplı melamin köpük malzemesinin yüzeyinin pürüzlülüğü 300 μm'den fazla bir yükseklik değişimi gösterdi. Güneş termal dönüşüm kompozitlerinin pürüzlü yüzey yapısı esas olarak melamin köpüğünün gözenekli yapısına atfedilir ve modifiye edilmiş indirgenmiş grafen oksit de yüzey pürüzlülüğünü artırır.
Yüzey pürüzlülüğü, gelen güneş ışığının çoklu saçılmasını artırırken güneş emilim yüzey alanını büyütür, böylece sistemin güneşten ısıya dönüşüm verimliliğini iyileştirir. Hazırlanan melamin köpüğünün farklı büyütmelerdeki mikro yapısı. Grafen oksit kaplı melamin köpük yüzeyi buruşuk ve birbirine bağlı bir ağ yapısı sergiler.
rGO kaplı melamin köpüğün gözenek boyutu 20 ila 40 μm arasındadır. Açık gözenek yapısı ve kırışık yüzey, grafen oksit birikimini kolaylaştırır. Azaltılmış grafen oksit kaplı melamin köpüğü, gözenekli melamin köpüğünün hidrofilikliği nedeniyle iyi su ıslanabilirliğine sahiptir.
Bir su damlası indirgenmiş grafen oksit kaplı melamin köpüğünün yüzeyine dokunduğunda, 0.5 saniye içinde tamamen emilir. İndirgenmiş grafen oksit kompozitlerinin hidrofilik yüzeyi, gözenekli yapı içindeki drenajı hızla yönlendirebilir. İndirgenmiş grafen oksit kaplı melamin köpüğünün gözenekliliği, su emiliminden önce ve sonra kütle değişimlerinin karşılaştırılmasıyla belirlendi.
Grafen oksit kaplamalı melamin köpüğün gözenekliliği %85.55'e ulaşabilir. Azaltılmış grafen oksit kaplamalı melamin köpüğün güneş enerjisi emilimi, sistemin güneşten ısıya dönüşüm verimliliğini doğrudan etkiler. Tuz direncini değerlendirmek için, azaltılmış grafen oksit kaplamalı melamin köpük sodyum klorür çözeltisine (%3.5 ağırlık) yerleştirildi.
Daha sonra üst yüzeye 3 gr katı sodyum klorür konuldu ve Tergo kaplı melamin köpük 1 kW m−2 solar yoğunlukta yerleştirildi. Katı tuz miktarı 120 dakika sonra kademeli olarak çözündü.
Güneş ışığı rGO kaplı melamin köpüğünün üst yüzeyine vurduğunda , rGO kaplı melamin köpüğünün sıcaklığı birkaç dakika içinde hızla yükselir ve buharlaşma süreci boyunca 35°C'de kalır. Tuzun çözünürlüğü sıcaklığa bağlı olduğundan, sıcaklık ne kadar yüksek olursa, tuz o kadar hızlı çözünür ve bu nedenle tuzdaki demir yüzey suyuna yeniden karışabilir.
Çok sayıda yüksek su emme kapasitesine sahip gözenekleri olan ve üst yüzeye sürekli su temini sağlayabilen indirgenmiş grafen oksit kaplamalı melamin köpükte, tuzlar üst yüzeyden suyun alt katmanına hareket edebilir. Sıcaklık değişiklikleri, üst buharlaşma yüzeyi ile gövde arasında tuzluluk değişimlerine yol açar.
Geniş bant ve verimli güneş enerjisi emilimi elde etmek amacıyla melamin köpük, gözenekli hidrofilik melamin köpük ile modifiye edilerek güneş emilim yüzey alanı artırılmış ve çoklu saçılma artırılmıştır.
rGO kaplı melamin köpük bazlı güneş arayüz buharlaştırma sistemi, 1 kW m−2 güneş gücü yoğunluğunda hızlı termal tepki göstererek %89.6'lık sabit durum güneş termal dönüşüm verimliliğine ulaşmaktadır.
Son olarak, 56.4 kW m−1'de tuz birikimiyle %2 içme suyu üretebilen bir güneş enerjili damıtma cihazına indirgenmiş grafen oksit kaplı melamin köpük buharlaştırıcıyı entegre ettik.
Güneş enerjisiyle çalışan bu arayüz tuzdan arındırma cihazının, izole adalarda veya okyanusta bol miktarda bulunan deniz suyundan veya diğer tuzlu su kaynaklarından içme suyu toplamak için kullanılabileceğini öngörüyoruz.
Sonuç
Tuzdan arındırma rGO kaplamalı melamin köpük, yenilikçi ve etkili bir güneş enerjisiyle tuzdan arındırma teknolojisi olarak büyük potansiyele ve uygulama beklentilerine sahiptir. Sadece su kıtlığı çeken bölgeler için güvenilir tatlı su kaynakları sağlamakla kalmaz, aynı zamanda geleneksel enerjiye olan bağımlılığı azaltır, enerji tüketimini ve çevre kirliliğini azaltır.
Bu araştırmanın sonuçları küresel tatlı su kaynak kıtlığı sorununun çözümüne önemli katkı sağlayacak ve sürdürülebilir kalkınmanın gerçekleşmesini teşvik edecektir.
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.