Արևային արդյունավետ աղազերծման նոր տեխնոլոգիա, rGO-պատված մելամինային փրփուրի նոր կիրառում աղազերծման համար

Որպես ջրային ռեսուրսների օգտագործման կայուն միջոց՝ արևային աղազերծումը մեծ ներուժ ունի քաղցրահամ ջրի անբավարար պաշարների խնդիրը լուծելու և ջրի պակասը մեղմելու համար: Այնուամենայնիվ, ծովի ջրի աղազերծման ավանդական տեխնոլոգիան հաճախ ունենում է այնպիսի խնդիրներ, ինչպիսիք են էներգիայի մեծ սպառումը, բարդ սարքավորումները և բարձր արժեքը:

Վերջին տարիներին նանոնյութերի վրա հիմնված աղազերծման ծածկույթի նոր տեխնոլոգիաները աստիճանաբար գրավել են հետազոտողների ուշադրությունը։ Գրաֆեն օքսիդով կրճատված գրաֆենը, որպես նոր երկչափ նյութ, ցույց է տվել արևային աղազերծման զգալի ներուժ:

Համեմատած ավանդական աղազերծման ծածկույթի նյութերի հետ՝ rGO-ն ունի գերազանց հաղորդունակության, բարձր հատուկ մակերեսի և լավ քիմիական կայունության առավելությունները, և ակնկալվում է, որ կբարելավի աղազերծման արդյունավետությունը և նվազեցնում էներգիայի սպառումը:

Սակայն, rGO-ն ինքնին ունի ագրեգացման և նստեցման խնդիրներ, որոնք նվազեցնում են դրա ակտիվությունն ու կայունությունը: Հետևաբար, մելամինային փրփուր /rGO կոմպոզիտային ծածկույթ ձևավորելու համար rGO-ն փրփրային նյութերի վրա ամրացնելը դարձել է աղազրկման արդյունավետությունն ու կայունությունը բարելավելու արդյունավետ միջոց:

Մակերեւութային ձևափոխմամբ և փրփուրի նյութի կրիչի հատկությունները ուժեղացնելու միջոցով մենք միատեսակ ամրացրինք rGO-ն փրփուրի մակերեսի վրա՝ ջրի մեջ աղի իոնների հետ շփման տարածքը մեծացնելու համար: Միևնույն ժամանակ, rGO ծածկույթի կառուցվածքը և հաստությունը վերահսկվում են աղազերծման արդյունավետությունն ու կայունությունը օպտիմալացնելու համար:

Աղազերծման մեխանիզմի մասին ավելի խորը պատկերացում կազմելու համար մենք նաև պատրաստեցինք գրաֆենի օքսիդի (rGO) նվազեցված փրփուր: Գրաֆենի տրիօքսիդով պատված մելամինային փրփուրն ունի բնորոշ ծակոտկեն միկրոկառուցվածք և հիդրոֆիլություն, ինչը թույլ է տալիս լավ թրջողություն ունենալ և կարող է ջուր քաշել դեպի գոլորշիացման տարածք՝ թույլ տալով ջուրը արագ համալրել՝ խուսափելով աղի տեղումներից:

Գրաֆենի օքսիդով պատված մելամինային փրփուրի միջերեսային գոլորշիացման համակարգը կարող է հասնել 89.6% կայուն գոլորշիացման արդյունավետության՝ 1կՎտ մ−2 արևային վառելիքի տակ: Միջերեսային գոլորշիացման այս համակարգն ունի արևից ջերմություն փոխակերպման բարձր արդյունավետություն և լավ երկարաժամկետ կայունություն՝ ցույց տալով առևտրային ծովի ջրի աղազերծման ներուժ:

Ներկայումս համաշխարհային էներգետիկ ճգնաժամը և ջրի պակասը դարձել են մարդկային հասարակության կայուն զարգացման հիմնական սպառնալիքները: Էներգիայի աճող պահանջարկը բավարարելու համար մեծ ուշադրություն է դարձվել էներգիայի փոխակերպման և ջրի մաքրման տարբեր բարձր արդյունավետության տեխնոլոգիաների մշակմանը:

Արևային էներգիայով աշխատող միջերեսային գոլորշիացման տեխնոլոգիա

Որպես վերականգնվող էներգիայի խոստումնալից աղբյուր՝ արևային էներգիան պայմանավորված է իր չափազանց մեծ հզորությամբ, ունիվերսալությամբ, մաքրությամբ և բազմաֆունկցիոնալ փոխակերպման հնարավորություններով: Այն ցույց է տվել հանածո վառելիքով պահպանվող հանածո վառելիքը փոխարինելու ներուժը:

Բացի արևային ֆոտոգալվանային տեխնոլոգիայից, որն ուղղակիորեն արտադրում է էլեկտրական էներգիա, արևային-ջերմային էներգիայի փոխակերպման տեխնոլոգիան նաև կլանում է արևի էներգիան և այն վերածում ջերմային էներգիայի, ինչը համարվում է արևային էներգիան օգտագործելու պարզ և արդյունավետ միջոց:

Արեգակնային էներգիայից փոխարկվող ջերմային էներգիան կարող է առաջ մղել այնպիսի կարևոր արդյունաբերական գործընթացներ, ինչպիսիք են արևային ջերմաէլեկտրակայանները, արևային աղազրկումը, ստերիլիզացումը, արևային ջրի ջեռուցման համակարգերը և ջերմության հետ կապված այլ ծրագրեր: Արևային աղազերծումը արդյունավետ լուծում է առաջարկում հատկապես այն տարածքների համար, որոնք չունեն ենթակառուցվածքներ, քանի որ այն կարող է քաղցրահամ ջուր հանել ծովի ջրից՝ առանց լրացուցիչ էներգիայի ներդրման:

Վերջին տարիներին արևի վրա հիմնված միջերեսային գոլորշիացման տեխնոլոգիան տեղակայում է արևային ջերմության փոխակերպման գործընթացը հեղուկ-գոլորշի միջերեսում և դարձել է արևային էներգիայի օգտագործման նոր տեխնոլոգիա: Համեմատած ավանդական ինտեգրալ ջեռուցման հետ, միջերեսային գոլորշիացման համակարգերը ցուցադրում են գոլորշիացման ավելի բարձր արդյունավետություն և ավելի արագ ջերմային արձագանք և հանդիսանում են ծովի ջրի աղազերծման պոտենցիալ այլընտրանք:

Մինչ այժմ բազմաթիվ ուսումնասիրություններ են իրականացվել միջերեսային գոլորշիացման համակարգերի ջերմային արդյունավետության բարելավման վերաբերյալ: Սովորական արևային միջերեսային գոլորշիացման համակարգը բաղկացած է երեք կարևոր մասերից.

Արեգակնային կլանիչ, որն ունի արևի բարձր կլանումը և արդյունավետ կերպով փոխակերպում է արևի ճառագայթումը ջերմային էներգիայի; մեկուսիչ, որը փոխակերպված ջերմությունը փոխանցում է զանգվածային ջրին. և ջրամատակարարման ուղի, որն անընդհատ ջուր է քաշում հիմնական ջրից դեպի արևային կլանիչի մակերես:

Նախորդ ուսումնասիրություններում մեծ թվով հետազոտողներ նվիրվել են արևի գոլորշու փոխակերպման ընդհանուր արդյունավետության բարելավմանը՝ լայնաշերտ և արևային էներգիա կլանող նյութերի սինթեզման, նոր ջրամատակարարման ուղիների նախագծման օպտիմալացման և ջերմամեկուսացման կառուցվածքների բարելավման միջոցով։

Մինչ այժմ արևի վրա հիմնված միջերեսային գոլորշիացման համակարգերը օգտագործվել են բազմաթիվ արդյունաբերական գործընթացներում՝ հրահրված արևային թորման, արևի մանրէազերծման, արևային աղազերծման և արևային էներգիայի արտադրության մեջ: Համակարգի գոլորշիացման բարձր արդյունավետության հասնելու համար կարևոր է ուսումնասիրել արևային կլանող նյութերի արևային սպեկտրի լայնաշերտ կլանումը:

Արեգակնային էներգիան կլանող նյութերը, որոնք մշակվել և ուսումնասիրվել են արևային միջերեսային գոլորշիացման համակարգերում, հիմնականում ներառում են ածխածնային նյութեր, պլազմոնային մասնիկներ և սպեկտրալ ընտրովի կլանող նյութեր: Դրանցից բնական սև և ածխածնային նյութերն ունեն արևային ջերմության փոխակերպման ուժեղ հնարավորություններ և հարմար են լայնաշերտ և բարձր ինտենսիվությամբ արևային կլանիչների համար:

Արեգակնային կլանման բարձր արագության, ցածր գնի և լավ կայունության շնորհիվ ուսումնասիրվել են ածխածնի վրա հիմնված արևային շատ կլանիչներ, այդ թվում՝ ածխածնային նանոխողովակները, գրաֆիտը և գրաֆենի օքսիդը: Տարիներ զարգացումից հետո համակարգի արևից գոլորշու փոխակերպման արդյունավետությունը ցերեկային լույսի ներքո հասել է ավելի քան 90%-ի:

Թեև արևային էներգիան կլանող նյութերի մշակման և միջերեսային գոլորշիացման կառույցների նախագծման մեջ մեծ բարելավումներ են եղել, արևային աղազերծման սարքերի մեծ մասը պայմանավորված էր աղազերծման գործընթացում գոլորշիչի վերին մակերեսի վրա աղի կուտակմամբ: Կուտակված աղը արգելափակում է արևի կլանումը և արգելափակում ծակոտկեն գոլորշիացնողը, ինչը հանգեցնում է արևից ջերմության փոխակերպման ցածր արդյունավետության և գոլորշիացման վատ աշխատանքի:

Ավանդական ֆիզիկական մեթոդները, ինչպիսիք են ուլտրաձայնային ալիքները և ջրի ընկղմումը, սովորաբար օգտագործվում են կուտակված աղերը հեռացնելու համար, սակայն այդ մեթոդները հեշտությամբ կարող են վնասել միջերեսի գոլորշիացման կառուցվածքը:

Միջերեսային գոլորշիացման համակարգերում աղի կուտակումը նվազեցնելու համար շատ ուսումնասիրություններ կենտրոնացել են հիդրոֆոբ գոլորշիացման զարգացման վրա: Այնուամենայնիվ, հիդրոֆոբ գոլորշիչները սահմանափակում են ջրի մատակարարումը վերին մակերեսին, դրանով իսկ նվազեցնելով համակարգի գոլորշիացման արդյունավետությունը: Այս խնդիրը լուծելու մեկ այլ միջոց է օգտագործել հիդրոֆիլ գոլորշիացնող սարքը, որն ավելորդ աղը տեղափոխում է վերին մակերևույթից դեպի զանգվածային ջուր:

Մինչ օրս շատ ուսումնասիրություններ կենտրոնացած են հիդրոֆիլ գոլորշիների նախագծման վրա, ինչպիսիք են հիդրոֆիլ ցելյուլոզային գործվածքների թաղանթները, թղթի վրա հիմնված հիդրոֆիլ թաղանթները և կենսաներշնչված գոլորշիացնողները: Սակայն երկարաժամկետ կայուն և բարձր արդյունավետությամբ արևային միջերեսային գոլորշիացման համակարգի զարգացումը մնում է կարևոր մարտահրավեր:

Այս ուսումնասիրության մեջ մենք ցուցադրում ենք աղի դիմացկուն, բարձր արդյունավետությամբ արևը կլանող և արագ ջերմային արձագանքող նվազեցված գրաֆենի օքսիդի (rGO) փրփուր՝ արևի վրա հիմնված միջերեսային աղազերծման համար ցածր ֆլուորեսցենտային արևային լուսավորության ներքո:

Նոր ծակոտկեն կառուցվածքում որպես հիմք ընտրվել է հիդրոֆիլ մելամինային փրփուրը (ՄՓ) , որը ոչ միայն ընդլայնում է արևի կլանման մակերեսը, այլև ուժեղացնում է բազմակի ցրումը։

Կրճատված գրաֆենի օքսիդով պատված մելամինային փրփուրի մակերեսային հիդրոֆիլությունը և ծակոտկենությունը ապահովում են արևային ջերմության փոխակերպման գոտու բավարար խոնավացում և միաձուլում, ինչպես նաև ջրի արագ համալրում` միաժամանակ խուսափելով աղերի կուտակումից:

Օգտվելով նվազեցված գրաֆենի օքսիդով պատված մելամինային փրփուրի բարձր արդյունավետությունից՝ արևային էներգիայով աշխատող միջերեսային համակարգը ի վիճակի է արևից գոլորշու փոխակերպման 89.6% մակարդակի:

Ավելին, ինտեգրելով կրճատված գրաֆենի օքսիդով պատված մելամինային փրփուրը առևտրային արևային էներգիայի մեջ, մենք նախագծել և արտադրել ենք արևի վրա հիմնված միջերեսային ծովի ջրի աղազերծման սարք՝ արևից ջուր փոխակերպման արդյունավետությամբ 56.4% ցերեկային լույսի ներքո: Արևային աղազրկման շնորհիվ հավաքված մաքուր ջուրը խմելու որակի պահանջ ունի:

Գոլորշիացման բարձր կատարողականությամբ և արևային-ջերմային փոխակերպման նյութերի մասշտաբայնությամբ՝ արևի վրա հիմնված միջերեսային ծովային ջրի աղազերծման այս համակարգը լայն կիրառման հեռանկարներ է ներկայացնում ծովի աղազերծման գործնական կիրառություններում:

Արեգակնային աղազերծման ջերմային փոխանցման նյութերի մասշտաբայնությունը

Միջերեսային գոլորշիացման համակարգ, որը հիմնված է նվազեցված գրաֆենի օքսիդով պատված մելամինային փրփուրի վրա: Տեր-գրաֆեն օքսիդով պատված մելամինային փրփուրը գտնվում է մեջտեղում և դրսից փաթաթված է պոլիէթիլենային (PE) փրփուրի շերտով, որպեսզի կառուցվի ինքնափուչիկների միջերեսային գոլորշիացման համակարգ:

Մելամինի փրփուրը, որը պատված է տելուրիումով նվազեցված գրաֆենի օքսիդով, օգտագործվում է արագորեն կլանելու արևային ճառագայթումը, արևի էներգիան ջերմության վերածելու և միջերեսային գոլորշիացման շարժիչ ուժ ստեղծելու համար: Մյուս կողմից, հիդրոֆիլ կրճատված գրաֆենի օքսիդով պատված մելամինային փրփուրը կարող է անընդհատ աղաջուր քաշել գոլորշիացման գոտի:

Գրաֆենի եռօքսիդով պատված մելամինային փրփուրի ծակոտկեն կառուցվածքը թույլ է տալիս առաջացած գոլորշին դուրս գալ շրջակա միջավայր՝ նպաստելով արևի լույսի գրավմանը և դրանով իսկ բարձրացնելով արևից ջերմություն փոխակերպման արդյունավետությունը: Կրճատված գրաֆենի օքսիդով պատված մելամինային փրփուրը ծակոտկեն և հիդրոֆիլ է, ինչը թույլ է տալիս ջուրը քաշել վերը նկարագրված գոլորշիացման կառուցվածքի մեջ՝ միաժամանակ խտացված աղերը քայքայելով ետ դեպի մեծածավալ ծովային ջուր:

Գոլորշիացման գործընթացի ընթացքում փրփուրում աղի կոնցենտրացիան ավելի բարձր է, քան հատակին ծովի ջրի կոնցենտրացիան: Կոնցենտրացիայի փոփոխությունները հանգեցնում են աղի քայքայմանը՝ վերածվելով ջրի հիմնական զանգվածի: Բացի այդ, շրջակա պոլիէթիլենային փրփուրը ոչ միայն նվազեցնում է գրաֆենի օքսիդով պատված մելամինային փրփուրը , այլև բնականաբար կուտակվում է ջրի մակերեսին՝ կանխելով շրջակա աղի ջրից առաջացած ջերմության կորուստը:

Միջերեսային գոլորշիացման համակարգերը կարող են շարունակաբար և արդյունավետ գործել ջրի մակերեսների վրա՝ առանց բարդ շինարարական նախագծերի անհրաժեշտության: Ավելին, քանի որ գոլորշիացումը տեղի է ունենում գազ-հեղուկ միջերեսում, միջերեսային գոլորշիացման համակարգը կարող է ինքնուրույն շարժվել, երբ միջերեսը նահանջում է:

Թելուրիումով կրճատված գրաֆենի օքսիդով պատված մելամինային փրփուրը միջերեսային գոլորշիացման համակարգի հիմնական բաղադրիչն է: Մելամինային փրփուրը ընկղմվել է գրաֆենի օքսիդի կոլոիդային կախույթի մեջ՝ պատրաստելու գրաֆենի օքսիդով պատված մելամինային փրփուր, այնուհետև գրաֆենի օքսիդը վերածվել է գրաֆամինի օքսիդի՝ հիդրոթերմային մեթոդի կիրառմամբ:

Կրճատված գրաֆենի օքսիդով պատված մելամինային փրփուրը 3.5 սմ տրամագծով և 1.6 սմ հաստությամբ հեշտ է պատրաստել, և դրա գույնը խորը սև է:

Եռաչափ օպտիկական մանրադիտակի միջոցով դիտարկված գրաֆենի օքսիդով պատված մելամինային փրփուր նյութի մակերեսի կոշտությունը ցույց է տվել ավելի քան 300 մկմ բարձրության տատանումներ: Արեգակնային ջերմային փոխակերպման կոմպոզիտների կոպիտ մակերևութային կառուցվածքը հիմնականում վերագրվում է մելամինային փրփուրի ծակոտկեն կառուցվածքին, իսկ փոփոխված կրճատված գրաֆենի օքսիդը նույնպես մեծացնում է մակերեսի կոշտությունը:

Մակերեւույթի կոշտությունը մեծացնում է արևի կլանման մակերեսը` միաժամանակ մեծացնելով ներթափանցող արևի լույսի բազմակի ցրումը, այդպիսով բարելավելով համակարգի արևից ջերմության փոխակերպման արդյունավետությունը: Պատրաստված մելամինային փրփուրի միկրոկառուցվածքը տարբեր խոշորացումներով: Գրաֆենի օքսիդով պատված մելամինային փրփուրի մակերեսը ցուցադրում է կնճռոտ և փոխկապակցված ցանցային կառուցվածք:

rGO-ով պատված մելամինային փրփուրի ծակոտիների չափը 20-ից 40 մկմ է: Բաց ծակոտի կառուցվածքը և կնճռոտ մակերեսը հեշտացնում են գրաֆենի օքսիդի նստեցումը: Կրճատված գրաֆենի օքսիդով պատված մելամինային փրփուրն ունի ջրի լավ խոնավություն՝ ծակոտկեն մելամինային փրփուրի հիդրոֆիլության պատճառով:

Երբ ջրի կաթիլը դիպչում է կրճատված գրաֆեն օքսիդով պատված մելամինային փրփուրի մակերեսին, այն ամբողջությամբ կլանվում է 0.5 վայրկյանում: Կրճատված գրաֆենի օքսիդի կոմպոզիտների հիդրոֆիլ մակերեսը կարող է արագ ուղղորդել ջրահեռացումը ծակոտկեն կառուցվածքի ներսում: Կրճատված գրաֆենի օքսիդով պատված մելամինային փրփուրի ծակոտկենությունը որոշվել է՝ համեմատելով զանգվածի փոփոխությունները ջրի կլանումից առաջ և հետո:

Գրաֆենի օքսիդով պատված մելամինային փրփուրի ծակոտկենությունը կարող է հասնել 85.55%-ի: Արեգակնային էներգիայի կլանումը նվազեցված գրաֆենի օքսիդով պատված մելամինային փրփուրով ուղղակիորեն ազդում է համակարգի արևից ջերմություն փոխակերպման արդյունավետության վրա: Աղի դիմադրությունը գնահատելու համար կրճատված գրաֆենի օքսիդով պատված մելամինային փրփուրը տեղադրվեց նատրիումի քլորիդի լուծույթում (3.5 wt%):

Այնուհետև վերին մակերեսին դրեցին 3 գ պինդ նատրիումի քլորիդ, իսկ Tergo-ով պատված մելամինային փրփուրը՝ 1 կՎտ մ−2 արևային խտությամբ։ Պինդ աղի քանակությունը 120 րոպե հետո աստիճանաբար լուծվում է։

Երբ արևի լույսը ընկնում է rGO-ով պատված մելամինային փրփուրի վերին մակերեսի վրա , rGO-ով պատված մելամինային փրփուրի ջերմաստիճանը րոպեների ընթացքում արագ բարձրանում է և մնում է 35°C-ի վրա ամբողջ գոլորշիացման գործընթացի ընթացքում։ Քանի որ աղի լուծելիությունը կախված է ջերմաստիճանից, որքան բարձր է ջերմաստիճանը, այնքան արագ է լուծվում աղը, և, հետևաբար, երկաթի աղը կարող է վերլուծվել մակերեսային ջրերի մեջ։

Կրճատված գրաֆենի օքսիդով պատված մելամինային փրփուրի մեջ, որն ունի բազմաթիվ ծակոտիներ՝ ջրի կլանման բարձր հզորությամբ, որը կարող է ապահովել վերին մակերեսին շարունակական ջրամատակարարում, աղերը կարող են վերին մակերևույթից շարժվել ջրի ենթաշերտ: Ջերմաստիճանի փոփոխությունները հանգեցնում են աղի փոփոխությունների վերին գոլորշիացման մակերեսի և մարմնի միջև:

Լայնաշերտ և արդյունավետ արևային էներգիայի կլանում ստանալու համար մելամինային փրփուրը փոփոխվել է ծակոտկեն հիդրոֆիլ մելամինային փրփուրով, դրանով իսկ մեծացնելով արևի կլանման մակերեսը և մեծացնելով բազմակի ցրումը:

Արեգակնային միջերեսային գոլորշիացման համակարգը, որը հիմնված է rGO- պատված մելամինային փրփուրի վրա, արագ ջերմային արձագանք է ցուցաբերում 1 կՎտ մ−2 արևային էներգիայի խտության դեպքում՝ հասնելով արևային ջերմային փոխակերպման կայուն վիճակում 89.6% արդյունավետության:

Ի վերջո, մենք ինտեգրեցինք նվազեցված գրաֆենի օքսիդով պատված մելամինային փրփուրի գոլորշիչի արևային սարքի մեջ, որը կարող է արտադրել 56.4% խմելու ջուր՝ աղի կուտակմամբ 1 կՎտ մ−2-ում:

Մենք նախատեսում ենք, որ արևային էներգիայով աշխատող միջերեսային աղազերծման սարքը կարող է օգտագործվել մեկուսացված կղզիներում կամ օվկիանոսում՝ առատ ծովի ջրից կամ այլ աղի ջրային ռեսուրսներից խմելու ջուր հավաքելու համար:

Եզրափակում

Աղազերծում rGO-պատված մելամինային փրփուրը, որպես արևային աղազրկման նորարարական և արդյունավետ տեխնոլոգիա, ունի մեծ ներուժ և կիրառման հեռանկարներ: Այն ոչ միայն կարող է ապահովել քաղցրահամ ջրի հուսալի ռեսուրսներ սակավաջուր տարածքների համար, այլ նաև նվազեցնել կախվածությունը ավանդական էներգիայից, նվազեցնել էներգիայի սպառումը և շրջակա միջավայրի աղտոտումը:

Այս հետազոտության արդյունքները կարևոր ներդրում կունենան գլոբալ քաղցրահամ ջրային ռեսուրսների պակասի խնդրի լուծման գործում և կնպաստեն կայուն զարգացման իրականացմանը:

SINOYQX մելամինե փրփուրի մասին լրացուցիչ տեղեկությունների համար խնդրում ենք կապվել մեզ հետ [email protected] հասցեով կամ զանգահարել մեզ՝ +86-28-8411-1861:

Որոշ նկարներ և տեքստեր վերարտադրված են ինտերնետից, իսկ հեղինակային իրավունքները պատկանում են բնօրինակ հեղինակին: Եթե ​​կա որևէ խախտում, խնդրում ենք կապվել մեզ հետ ջնջելու համար: