אידוי בין-פנימי מונע שמש (SIE) נחשב לאחת הטכנולוגיות המבטיחות ביותר להקלה על מחסור במים מתוקים, בשל יכולתה להשתמש ביעילות באנרגיה סולארית לייצור מים מתוקים. בנוסף, למאיידים סולאריים יתרונות ייחודיים בטיפול בשפכים מלוחים מרוכזים . תהליך האידוי מייצר רק גבישי מלח כתוצר לוואי, ובכך משיג אפס פליטת נוזלים. עם זאת, הצטברות מלח במאייד תעכב את ספיגת האור ותשפיע על בריחת הקיטור, מה שמוביל בסופו של דבר לירידה בביצועי האידוי של המאייד או אפילו לכשל.
כדי להקל על בעיה זו, כמה חוקרים הציעו אסטרטגיית "זרימת מלח". כלומר, מתוכנן נתיב זרימה לתמיסה כדי לאפשר ליוני מלח לזרום בחזרה לתוך התמלחת, ובכך למנוע את התגבשות המלח על פני האידוי, ובכך להשיג אידוי רציף ויציב. אולם שיטה זו תגרום לעלייה של מליחות התמיסה, ועדיין בעיית התגבשות המלח היא בלתי נמנעת.
פתרון נוסף הוא אסטרטגיית "המלחה". כלומר, המבנה מווסת כך שהמלח מתגבש בצורה מועדפת באזור אי-האידוי, ובכך מפחית את השפעת התגבשות המלח על ביצועי האידוי, ובכך משיג איסוף בו-זמני של מלח ומים מתוקים. עם זאת, אסטרטגיית "המלחה" עדיין מתמודדת עם כמה אתגרים חמורים ביישום מעשי.
ראשית, הובלת מלח חד מימדית מגבילה את יכולת הספיגה, ומפחיתה משמעותית את קצב האידוי הכולל. שנית, אסטרטגיית התגבשות המלח דורשת הסרה קבועה של גבישי מלח, שקשה ליפול אוטומטית ממשטח המאייד בגלל הידבקותם החזקה. אם המלח שהופקד לא יוסר בזמן, ביצועי האידוי יופחתו בהכרח. בנוסף, מאיידים סולאריים רבים בעלי יעילות גבוהה דורשים תהליכי הכנה מסוכנים או גוזלים זמן, כגון טיפולי חום בלחץ גבוה, ואקום נמוך או בטמפרטורה גבוהה.
לכן, פיתוח מאייד סולארי עמיד להשגת אידוי מים ואיסוף מלח לטווח ארוך, יעיל ויציב באמצעות תהליך הכנה פשוט להתפלת נוזל אפס היא מטרה מדעית שלא הושגה.
בהתבסס על האתגרים הנ"ל, צוות המחקר של האוניברסיטה הרפואית הראשונה של שאנדונג הכין מאייד איירגל ספיראלי גרדיאנט תלת מימדי, שיכול להשיג אידוי סולארי יעיל של מי מלח בריכוז גבוה ולהשיג אפס פריקת נוזלים.
על מנת לעמוד בדרישות המחמירות של מאיידים סולאריים במונחים של קליטת שמש יעילה, ניצול אנרגיה מלא, עמידות מצוינת למלח ויציבות ארוכת טווח, תכנון הפרויקט מתמקד בעיקר בארבע נקודות המפתח הבאות:
התמקד בעיצוב מבני ושיפור היציבות הכימית
המאייד צריך להיות בעל מבנה רשת חזק ויציבות כימית, דבר חיוני להשגת התפלה סולארית יעילה, יציבה וארוכת טווח. לכן, הם בחרו בקצף מלמין זול, סופר-הידרופילי, בעל נקבוביות גבוהה ועמידות גבוהה כשלד התומך של המאייד הסולארי.
לאחר מכן הם חקרו את התכונות המכניות של אירוג'לים של גרפן עם קצף מלמין כשלד במספר מצבים, כולל דחיסה, כיפוף ומתח, כדי להעריך באופן מקיף את התכונות המכניות שלהם.
על מנת לוודא עוד יותר את חוסנו ועמידותו בתנאי יישום בפועל, צוות המחקר ערך בדיקות במגוון תנאים קיצוניים.
באופן ספציפי, הם כופפו את הדגימה שוב ושוב 20 פעמים באוויר ובמים, השרו אותה בתמיסות חומציות ובסיסיות , והציבו אותה בסביבות קשות כמו טמפרטורה גבוהה וערבוב אולטרסאונד.
לאחר בדיקות קפדניות אלו, הם לא מצאו שינויים משמעותיים במראה ובמיקרו-מבנה של המדגם, מה שהוכיח במלואו את העמידות המצוינת והיציבות המבנית שלה.
התמקדות בפישוט ושיפור כלכלי של תהליכי ייצור
כדי להשיג פשטות וחסכון בתהליך ייצור המאייד ולהימנע משימוש בציוד יקר, הם תכננו את שלבי ההכנה הבאים:
השלב הראשון הוא כבישה חמה
באמצעות טכנולוגיית כבישה חמה, צוות המחקר דחוס קצפי מלמין בעוביים שונים לקבלת סרט מלמין דחוס מראש בעובי של 1 מ"מ.
במהלך תהליך זה, ככל שהיחס בין העובי המקורי של הדגימה לעובי הדחוס הסופי עולה, גודל הנקבוביות של סרט המלמין הדחוס מראש מווסת בקפידה מ -150 מיקרומטר ל-20 מיקרומטר , ויוצר מבנה רשת תלת-ממדי ייחודי בעל גרדיאנט.
השלב השני הוא ריסוס משטח
השתמשו בבקבוק ריסוס כדי לרסס את תרחיף תחמוצת הגרפן באופן שווה על פני השטח של סרט המלמין הדחוס מראש . הושג פיזור אחיד של תחמוצת הגרפן בסרט, מה שהניח את היסודות לחיזור סולארי לאחר מכן.
השלב השלישי הוא ייבוש בלחץ אטמוספרי
לאחר הריסוס, הניחו את הסרט ישירות באוויר לייבוש אוויר טבעי. שלב זה נמנע מתהליכי ההכנה המורכבים, גוזלים זמן ואנרגיה, כגון ייבוש בהקפאה, ייבוש סופר קריטי והחלפת ממס.
השלב הרביעי הוא הפחתת אור השמש
כלומר, שימוש בזכוכית מגדלת למיקוד אור השמש על המדגם. תחת פעולתן של קרניים אולטרה סגולות, צבע פני הדגימה משתנה במהירות מחום לשחור, מה שמעיד על כך שתחמוצת הגרפן הופחתה בהצלחה לתחמוצת גרפן מופחתת.
שיטת הפחתת שמש זו אינה רק פשוטה לתפעול וידידותית לסביבה, אלא גם אינה מצריכה שימוש בחומרי הפחתה כימיים או תהליכי הפחתה תרמית בטמפרטורה גבוהה, מה שמפחית משמעותית את עלויות הייצור וזיהום הסביבה.
התמקדות בספיגת אנרגיה סולארית יעילה ובמזעור אובדן אנרגיה
מאיידים סולאריים חייבים לא רק לספוג ולהמיר מגוון רחב של אנרגיה סולארית לאנרגיה תרמית, אלא גם למזער את הפסדי האנרגיה הנגרמים מהשתקפות מפוזרת וקרינה תרמית, וללכוד אנרגיה נוספת מהסביבה. תהליך האידוי בממשק השמש נשלט על ידי שלושה שטפי אנרגיה: כניסת אנרגיה סולארית, תפוקת אנרגיית אידוי ואנרגיה המתפזרת לסביבה.
למרבה הצער, מאיידים סולאריים דו-ממדיים קונבנציונליים מתמודדים עם בעיות של פיזור אנרגיה עקב חילופי חום עם הסביבה הסובבת, מה שמקשה על השגת יעילות ההמרה האידיאלית של 100% שמש לקיטור. לעומת זאת, מאיידים סולאריים תלת מימדיים יכולים לשבור את הגבול התיאורטי של יעילות המרת שמש לקיטור.
כדי להפחית את אובדן האנרגיה הנגרם על ידי השתקפות מפוזרת וקרינה תרמית על פני השטח העליון של המדגם התלת מימדי, הצוות עיצב ארוג'ל גרפן קעור תלת מימדי.
למבנה זה יש לא רק ספיגה גבוהה יותר ורפלקטיביות נמוכה יותר, אלא שהקירות הצדדיים שלו מסוגלים גם לספוג חום סביבתי וחום המוחזרים בצורה מפוזרת מלמטה, ובכך מאפשרים שחזור אנרגיה יעיל.
התמקדות באופטימיזציה של סבילות למלח וניהול התגבשות מלח
כלומר; על ידי תכנון ערוץ הובלה ייחודי, מקדם את ההובלה הרדיאלית של תמלחת, מה שמוביל להתגבשות כיוונית של מלח. עיצוב זה לא רק מונע ביעילות את השקעת המלח ונסתם על פני המאייד, אלא גם מממש את האיסוף והניצול האפקטיבי של מלח, ובכך משפר משמעותית את היעילות והקיימות של תהליך ההתפלה.
באופן ספציפי, הם תכננו והכינו מבנה רשת גרפן תלת-ממדי בעל גרדיאנט המבוסס על סרט נקבובי מלמין דחוס מראש . רשת גרפן זו, שהיא דלילה מבפנים וצפופה מבחוץ, יכולה ליצור הפרש כוח נימי רדיאלי, אשר מקדם את ההובלה הרדיאלית של מי מלח. ככל שקיטור ממשיך להיווצר, הזרימה הרדיאלית של מי מלח מגדילה את ריכוז מי המלח באזור הפנים החיצוני, וגורמת למלח להתגבש בצורה כיוונית על פני השטח החיצוניים ולא על פני השטח הפנימיים. תכנון זה מבטיח שהפנימה של המאייד שומרת על שטח אידוי מספיק, ובכך משיגה אידוי סולארי יעיל ויציב.
ראוי להזכיר שהמאייד משתמש בכל פני השטח החיצוניים שלו להתגבשות מלח, מה שהופך את שטח ההתגבשות לגדול בהרבה ממאיידי התגבשות כיוונית אחרים.
גבישי מלח מורכבים בעיקר מגבישי מלח ארוזים באופן רופף עם נקבוביות בשפע, המועילים להובלת מי מלח ולשחרור אדים.
יתר על כן, בשל אפקט הקירור האידוי, טמפרטורת פני השטח של שכבת המלח נמוכה מטמפרטורת הסביבה. מאפיין זה מאפשר למאייד לספוג יותר אנרגיה מהסביבה, ומשפר עוד יותר את ביצועי האידוי.
מקור המאמר: Deep Tech
קבוצת המחקר: שאנדונג First Medical University Team Research Group
המאמר מצוטט מ: https://www.163.com/dy/article/J1RENDEH05119734.html
למידע נוסף על קצף מלמין SINOYQX, אנא צרו עמנו קשר בכתובת [email protected] או שלחו לנו הודעה בטלפון: 86-28-8411-1861+.
חלק מהתמונות והטקסטים מועתקים מהאינטרנט, וזכויות היוצרים שייכות למחבר המקורי. אם יש הפרה כלשהי, אנא צור איתנו קשר כדי למחוק.