כדרך בת קיימא לניצול משאבי מים, להתפלה סולארית יש פוטנציאל רב בפתרון הבעיה של משאבי מים מתוקים לא מספיקים והקלה על מחסור במים. עם זאת, לטכנולוגיה המסורתית להתפלת מי ים יש לעתים קרובות בעיות כמו צריכת אנרגיה גבוהה, ציוד מורכב ועלות גבוהה.
בשנים האחרונות, טכנולוגיות חדשות של ציפוי התפלה המבוססות על ננו-חומרים משכו בהדרגה את תשומת לב החוקרים. גרפן מופחת תחמוצת גרפן, כחומר דו-ממדי חדש, הראה פוטנציאל משמעותי בהתפלה סולארית.
בהשוואה לחומרי ציפוי התפלה מסורתיים, ל-rGO יש את היתרונות של מוליכות מעולה, שטח פנים ספציפי גבוה ויציבות כימית טובה, והוא צפוי לשפר את יעילות ההתפלה ולהפחית את צריכת האנרגיה.
עם זאת, ל-rGO עצמו יש בעיות של צבירה ושקיעה, מה שמפחית את פעילותו ויציבותו. לכן, קיבוע rGO על חומרי קצף ליצירת ציפוי מרוכב של קצף מלמין /rGO הפך לדרך יעילה לשיפור יעילות ויציבות ההתפלה.
על ידי שינוי פני השטח וחיזוק תכונות הנשא של חומר הקצף, קיבענו באופן אחיד את rGO על פני הקצף כדי להגדיל את שטח המגע שלו עם יוני מלח במים. במקביל, המבנה והעובי של ציפוי rGO נשלטים כדי לייעל את יעילות ההתפלה והיציבות.
כדי לקבל הבנה מעמיקה יותר של מנגנון ההתפלה, הכנו גם קצף מופחת של תחמוצת גרפן (rGO). לקצף מלמין מצופה גרפן טריאוקסיד יש מבנה מיקרו נקבובי והידרופיליות אינהרנטית, המאפשרת לו יכולת הרטבה טובה ויכולה למשוך מים לאזור האידוי, ומאפשרת לחדש מים במהירות תוך הימנעות ממשקעי מלח.
מערכת האידוי הממשק של קצף מלמין מצופה גרפן תחמוצת יכולה להשיג יעילות אידוי במצב יציב של 89.6% תחת דלק סולארי של 1kW m−2. למערכת אידוי פנים זו יש יעילות המרת שמש לחום גבוהה ויציבות טובה לטווח ארוך, המראה פוטנציאל להתפלת מי ים מסחרית.
נכון לעכשיו, משבר האנרגיה העולמי ומחסור במים הפכו לאיומים גדולים על פיתוח בר-קיימא של החברה האנושית. כדי לענות על הדרישה הגוברת לאנרגיה, פיתוח של טכנולוגיות שונות להמרת אנרגיה וטיהור מים בעלות ביצועים גבוהים זכה לתשומת לב גוברת.
טכנולוגיית אידוי משטחי אנרגיה סולארית
כמקור אנרגיה מתחדשת מבטיח, אנרגיה סולארית נובעת מהיכולת הגדולה במיוחד שלה, האוניברסליות, הניקיון ויכולות ההמרה הרב-תכליתיות שלה. זה הראה את הפוטנציאל להחליף דלק מאובנים שנשמר על ידי דלק מאובנים.
בנוסף לטכנולוגיה פוטו-וולטאית סולארית המייצרת אנרגיה חשמלית ישירות, טכנולוגיית המרת אנרגיה סולארית-תרמית קולטת גם אנרגיית שמש וממירה אותה לאנרגיה תרמית, הנחשבת לדרך פשוטה ויעילה לניצול אנרגיית השמש.
האנרגיה התרמית המומרת מאנרגיה סולארית יכולה להניע תהליכים תעשייתיים חשובים כמו תחנות כוח תרמיות סולאריות, התפלה סולארית, עיקור, מערכות חימום מים סולאריות ויישומים אחרים הקשורים לחום. התפלה סולארית מציעה פתרון יעיל במיוחד לאזורים חסרי תשתית, מכיוון שהיא יכולה להפיק מים מתוקים ממי ים ללא תוספת אנרגיה.
בשנים האחרונות, טכנולוגיית אידוי משטחי שמש מונעת על ידי שמש מאתרת את תהליך המרת חום השמש בממשק נוזל-אדים והפכה לטכנולוגיית ניצול אנרגיית שמש חדשה. בהשוואה לחימום אינטגרלי מסורתי, מערכות אידוי משטחיות מציגות יעילות אידוי גבוהה יותר ותגובה תרמית מהירה יותר ומהוות חלופה פוטנציאלית להתפלת מי ים.
עד כה בוצעו מחקרים רבים על שיפור הביצועים התרמיים של מערכות אידוי משטחיות. מערכת אידוי משטחי מונעת סולארית טיפוסית מורכבת משלושה חלקים חשובים:
בולם שמש בעל בליעת שמש גבוהה וממיר ביעילות את קרינת השמש לאנרגיית חום; מבודד המעביר את החום המומר למים בתפזורת; ומסלול אספקת מים השואב מים באופן רציף מהמים בתפזורת אל פני הבולם השמש.
במחקרים קודמים, מספר רב של חוקרים הקדישו את עצמם לשיפור יעילות ההמרה הכוללת מאנרגיה סולארית לקיטור על ידי סינתזה של חומרים הסופגים אנרגיה סולארית ופס רחב, אופטימיזציה של תכנון נתיבי אספקת מים חדשים ושיפור מבני בידוד תרמי .
עד כה, נעשה שימוש במערכות אידוי משטחי שמש מונעות מהשמש בתהליכים תעשייתיים רבים, זיקוק סולארי מושרה, עיקור סולארי, התפלה סולארית וייצור חשמל סולארי. כדי להשיג ביצועי אידוי גבוהים של המערכת, חשוב לחקור את קליטת הפס הרחב על פני הספקטרום הסולארי של חומרים סופחי שמש.
החומרים סופחי אנרגיית השמש שפותחו ונחקרו במערכות אידוי משטחי שמש מונעות על ידי השמש כוללים בעיקר חומרים פחמניים, חלקיקים פלסמונים וחומרי ספיגה סלקטיביים ספקטרלית. ביניהם, חומרים שחורים ופחמניים טבעיים בעלי יכולות המרת חום שמש חזקות ומתאימים לבולמי שמש בפס רחב ובעוצמה גבוהה.
בשל קצב ספיגת השמש הגבוה שלהם, העלות הנמוכה והיציבות הטובה, נחקרו בולמי שמש רבים המבוססים על פחמן, כולל ננו-צינוריות פחמן, גרפיט ותחמוצת גרפן מופחתת. לאחר שנים של פיתוח, יעילות המרת השמש לקיטור של המערכת באור יום הגיעה ליותר מ-90%.
למרות שחלו שיפורים גדולים בפיתוח חומרים סופחי אנרגיה סולארית ותכנון מבני אידוי משטחים, רוב מכשירי ההתפלה הסולארית שדווחו בעבר נבעו מהצטברות מלח על פני השטח העליון של המאייד במהלך תהליך ההתפלה. המלח המצטבר חוסם את ספיגת השמש וחוסם את המאייד הנקבובי, וכתוצאה מכך יעילות המרת שמש לחום נמוכה וביצועי אידוי גרועים.
בדרך כלל נעשה שימוש בשיטות פיזיקליות מסורתיות כגון גלים קוליים וטבילה במים להסרת מלחים שהצטברו, אך שיטות אלו עלולות לגרום לנזק בקלות למבנה האידוי של הממשק.
כדי להפחית את הצטברות המלח במערכות אידוי משטחיות, מחקרים רבים התמקדו בפיתוח אידוי הידרופובי. עם זאת, מאיידים הידרופוביים מגבילים את אספקת המים למשטח העליון, ובכך מפחיתים את ביצועי האידוי של המערכת. דרך נוספת לפתור בעיה זו היא להשתמש במאייד הידרופילי, המעביר את עודפי המלח מהמשטח העליון אל המים בתפזורת.
עד כה, מחקרים רבים התמקדו בתכנון מאיידים הידרופיליים, כגון ממברנות בד תאית הידרופיליות, ממברנות הידרופיליות על בסיס נייר ומאיידים בהשראת ביו. אבל פיתוח מערכת אידוי משטחי סולרית יציבה ויעילה במיוחד לטווח ארוך נותרה אתגר משמעותי.
במחקר זה, אנו מדגימים קצף מופחת של תחמוצת גרפן (rGO), עמיד למלח, יעיל מאוד סופג שמש ומגיב תרמית במהירות להתפלת פנים מונעת שמש תחת תאורה סולארית בעלת פלואורסצנטי נמוך.
במבנה הנקבובי החדש, נבחר קצף מלמין הידרופילי (MF) כבסיס, אשר לא רק מרחיב את שטח הפנים לספיגת קרינת השמש אלא גם משפר את הפיזור המרובה.
ההידרופיליות של פני השטח והנקבוביות של קצף המלמין המופחת המצופה בתחמוצת גרפן מספקים הרטבה מספקת והיתוך של אזור המרת חום השמש, כמו גם מילוי מהיר של מים, תוך הימנעות מהצטברות מלחים.
תוך ניצול הביצועים הגבוהים של קצף מלמין מצופה גרפן אוקסיד מופחת, מערכת הממשק המונעת על ידי השמש מסוגלת להמיר שמש לקיטור של 89.6%.
יתר על כן, על ידי שילוב קצף מלמין מופחת מצופה גרפן אוקסיד באנרגיה סולארית מסחרית, תכננו ויצרנו מכשיר התפלת מי ים מונע סולארי עם יעילות המרה סולרית למים של 56.4% באור יום. עקב התפלה סולארית, המים הנקיים הנאספים הם בדרישת איכות ראויה לשתייה.
עם ביצועי אידוי מעולים ויכולת מדרגיות של חומרי המרה סולארית לתרמית, מערכת זו להתפלת מי ים מונעת סולרית מציגה סיכויי יישום רחבים ביישומים מעשיים של התפלת מי ים.
מדרגיות של חומרים להעברת חום להתפלה סולארית
מערכת אידוי פנים המבוססת על קצף מלמין מופחת מצופה גרפן אוקסיד. קצף מלמין מצופה תחמוצת טר גרפן נמצא באמצע והוא עטוף בשכבת קצף פוליאתילן (PE) מבחוץ כדי לבנות מערכת אידוי משטחי בועות עצמית.
קצף מלמין מצופה בתחמוצת גרפן מופחתת בטלוריום משמש לספיגה מהירה של קרינת שמש תקרית, המרת אנרגיית השמש לחום ויצירת כוח מניע לאידוי הממשק. מצד שני, קצף מלמין מצופה תחמוצת גרפן מופחת הידרופילי יכול למשוך ללא הרף תמלחת לאזור האידוי.
המבנה הנקבובי של קצף המלמין המצופה בגרפן טריאוקסיד מאפשר לאדים הנוצרים לברוח אל הסביבה, מקדם את לכידת אור השמש ובכך מגביר את היעילות של המרת שמש לחום. קצף המלמין המופחת המצופה בתחמוצת גרפן הוא נקבובי והידרופילי, ומאפשר לו לשאוב מים למבנה האידוי שתואר לעיל ובו זמנית לפרק מלחים מרוכזים בחזרה למי הים בתפזורת.
במהלך תהליך האידוי, ריכוז המלח בקצף גבוה מריכוז מי הים בתחתית. שינויים בריכוז גורמים לפירוק המלח אל תוך המים. בנוסף, קצף הפוליאתילן שמסביב לא רק מפחית את קצף המלמין המצופה בתחמוצת גרפן , אלא גם מצטבר באופן טבעי על פני המים, ומעכב אובדן חום הנגרם על ידי מי המלח שמסביב.
מערכות אידוי ממשק יכולות לפעול באופן רציף ויעיל על משטחי מים ללא צורך בתכנון בנייה מורכב. יתר על כן, מכיוון שאידוי מתרחש בממשק גז-נוזל, מערכת האידוי הממשקית יכולה לנוע באופן אוטונומי כאשר הממשק נסוג.
קצף מלמין מצופה תחמוצת גרפן מופחת טלוריום הוא מרכיב מפתח במערכת האידוי הממשק. קצף מלמין הוטבע בתרחיף קולואידי של גרפן אוקסיד כדי להכין קצף מלמין מצומצם מצופה גרפן אוקסיד, ולאחר מכן תחמוצת גרפן הופחתה לתחמוצת גרפמין מופחתת בשיטה הידרותרמית.
קל לייצור קצף מלמין מצופה גרפן אוקסיד בקוטר 3.5 ס"מ ועובי 1.6 ס"מ וצבעו שחור עמוק.
החספוס של פני השטח של חומר קצף המלמין המופחת המצופה בתחמוצת גרפן שנצפה באמצעות מיקרוסקופ אופטי תלת מימדי הראה שינוי גובה של יותר מ-300 מיקרומטר. מבנה פני השטח המחוספס של חומרים מרוכבים להמרה תרמית סולארית מיוחס בעיקר למבנה הנקבובי של קצף מלמין, והתחמוצת הגרפן המופחתת המשתנה גם מגבירה את חספוס פני השטח.
חספוס פני השטח מגביר את שטח הספיגה הסולארית תוך הגברת פיזור מרובה של אור שמש נופל, ובכך משפר את יעילות ההמרה של השמש לחום של המערכת. מבנה מיקרו של קצף המלמין המוכן בהגדלות שונות. משטח קצף מלמין מצופה גרפן אוקסיד מציג מבנה רשת מקומט ומקושר זה לזה.
גודל הנקבוביות של קצף מלמין מצופה rGO הוא בין 20 ל-40 מיקרומטר. מבנה הנקבוביות הפתוחות והמשטח המקומט מקלים על שקיעת תחמוצת גרפן. לקצף המלמין המופחת המצופה בתחמוצת גרפן יש יכולת הרטבה טובה של מים בשל ההידרופיליות של קצף המלמין הנקבובי.
ברגע שטיפת מים נוגעת לפני השטח של קצף המלמין המופחת מצופה גרפן תחמוצת, היא נספגת לחלוטין תוך 0.5 שניות. המשטח ההידרופילי של חומרים מרוכבים תחמוצת גרפן מופחתים יכול להנחות במהירות את הניקוז בתוך המבנה הנקבובי. הנקבוביות של קצף מלמין מצופה תחמוצת גרפן מופחת נקבעה על ידי השוואת שינויי המסה לפני ואחרי ספיגת מים.
הנקבוביות של קצף מלמין מצופה תחמוצת גרפן יכולה להגיע ל-85.55%. ספיגת אנרגיית השמש על ידי קצף מלמין מופחת מצופה תחמוצת גרפן משפיעה ישירות על יעילות ההמרה של השמש לחום של המערכת. כדי להעריך את עמידות המלח, קצף מלמין מצומצם מצופה גרפן אוקסיד הונח בתמיסת נתרן כלורי (3.5 משקל).
לאחר מכן הונחו 3 גרם של נתרן כלורי מוצק על המשטח העליון וקצף המלמין המצופה ב-Tergo הונח בצפיפות שמש של 1 קילוואט m-2. כמות המלח המוצק מתמוססת בהדרגה לאחר 120 דקות.
כאשר אור השמש מאיר על המשטח העליון של קצף המלמין המצופה ב-rGO , הטמפרטורה של קצף המלמין המצופה ב-rGO עולה במהירות תוך דקות ונשארת על 35 מעלות צלזיוס לאורך כל תהליך האידוי. מכיוון שמסיסות המלח תלויה בטמפרטורה, ככל שהטמפרטורה גבוהה יותר, כך המלח מתמוסס מהר יותר ולכן ברזל המלח יכול להתמוסס מחדש במי השטח.
בקצף מלמין מצומצם מצופה גרפן אוקסיד, בעל נקבוביות רבות עם יכולת ספיגת מים גבוהה שיכולים לספק אספקת מים רציפה למשטח העליון, מלחים יכולים לעבור מהמשטח העליון אל תת-השכבה של המים. שינויי טמפרטורה מובילים לשינויי מליחות בין משטח האידוי העליון לגוף.
על מנת להשיג ספיגת אנרגיית שמש בפס רחב ויעילה, שונה קצף מלמין בקצף מלמין הידרופילי נקבובי, ובכך הגדיל את שטח הספיגה הסולארית והגדיל את הפיזור המרובה.
מערכת אידוי הממשק הסולארית המבוססת על קצף מלמין מצופה rGO מציגה תגובה תרמית מהירה בצפיפות אנרגיה סולארית של 1 קילוואט m−2, ומשיגה יעילות המרה תרמית סולארית במצב יציב של 89.6%.
לבסוף, שילבנו מאייד קצף מלמין מופחת מצופה בתחמוצת גרפן לתוך דומם סולארי, שיכול לייצר 56.4% מי שתייה עם הצטברות מלח ב-1 קילוואט m-2.
אנו רואים בדעתנו שניתן להשתמש במכשיר ההתפלה הממשק המבוסס על אנרגיה סולארית באיים מבודדים או באוקיינוס כדי לאסוף מי שתייה ממי ים בשפע או משאבי מים מלוחים אחרים.
סיכום
לקצף מלמין מצופה rGO להתפלה, כטכנולוגיית התפלה סולארית חדשנית ויעילה, יש פוטנציאל רב וסיכויי יישום. זה לא רק יכול לספק משאבי מים מתוקים אמינים לאזורים דלי מים, אלא גם להפחית את התלות באנרגיה מסורתית, להפחית את צריכת האנרגיה וזיהום הסביבה.
תוצאות מחקר זה יתרמו תרומה חשובה לפתרון בעיית המחסור העולמית במשאבי מים מתוקים ויקדמו את מימושו של פיתוח בר קיימא.
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.