Cum'è un modu sustenibile per utilizà e risorse d'acqua, a desalinizazione solare hà un grande potenziale per risolve u prublema di risorse d'acqua fresca insufficiente è alleviate a carenza d'acqua. Tuttavia, a tecnulugia tradiziunale di desalinizazione di l'acqua di mare spessu hà prublemi cum'è un altu cunsumu d'energia, un equipamentu cumplessu è un costu altu.
Nta l'ultimi anni, i novi tecnulugii di rivestimentu di desalinizazione basati nantu à i nanomateriali anu attiratu gradualmente l'attenzione di i circadori. Graphene oxide reduced graphene, cum'è un novu materiale bidimensionale, hà dimustratu un putenziale significativu in a desalinizazione solare.
In cunfrontu cù i materiali di rivestimentu di desalinizazione tradiziunali, rGO hà i vantaghji di una conduttività eccellente, una superficia specifica alta è una bona stabilità chimica, è hè prevista per migliurà l'efficienza di desalinizazione è riduce u cunsumu d'energia.
Tuttavia, l'rGO stessu hà prublemi d'aggregazione è di deposizione, ciò chì riduce a so attività è a so stabilità. Dunque, a fissazione di rGO nantu à i materiali in schiuma per furmà un rivestimentu cumpostu di schiuma di melamina / rGO hè diventatu un modu efficace per migliurà l'efficienza è a stabilità di a desalinizazione.
Per mudificà a superficia è rinfurzendu e proprietà di u trasportatore di u materiale di scuma, avemu fissatu uniformemente rGO nantu à a superficia di scuma per aumentà a so zona di cuntattu cù ioni di sali in l'acqua. À u listessu tempu, a struttura è u grossu di u revestimentu rGO sò cuntrullati per ottimisà l'efficienza è a stabilità di desalinizazione.
Per acquistà una cunniscenza più profonda di u mecanismu di desalinizazione, avemu ancu preparatu una schiuma d'ossidu di grafene ridutta (rGO). A schiuma di melamina rivestita di triossidu di grafene hà una microstruttura porosa inerente è idrofilia, chì li permette di avè una bona bagnabilità è pò attruverà l'acqua à l'area di evaporazione, permettendu chì l'acqua sia rifornita rapidamente mentre evitendu a precipitazione di u sali.
U sistema di evaporazione interfacciale di schiuma di melamina rivestita d'ossidu di grafenu pò ottene una efficienza di evaporazione stabile di 89.6% sottu 1kW m−2 di carburante solare. Stu sistema di evaporazione interfacial hà una alta efficienza di cunversione di u sole à u calore è una bona stabilità à longu andà, chì mostra u putenziale per a desalinizazione cummerciale di l'acqua di mare.
Attualmente, a crisa energetica glubale è a carenza d'acqua sò diventate una minaccia maiò per u sviluppu durevule di a sucità umana. Per risponde à a crescente dumanda di energia, u sviluppu di diverse tecnulugia di cunversione d'energia d'altu rendiment è purificazione d'acqua hà ricevutu una attenzione crescente.
Tecnulugia di evaporazione interfacial alimentata da u solar
Cum'è una fonte d'energia rinnuvevuli promettenti, l'energia solare hè dovuta à a so capacità ultra-grande, universalità, pulizia è capacità di cunversione multifunzionale. Hà dimustratu u putenziale di rimpiazzà i combustibili fossili ritenuti da i combustibili fossili.
In più di a tecnulugia solare fotovoltaica chì genera direttamente energia elettrica, a tecnulugia di cunversione di l'energia solare-termale assorbe ancu l'energia solare è a cunverta in energia termale, chì hè cunsiderata una manera simplice è efficace di utilizà l'energia solare.
L'energia termale cunvertita da l'energia solare pò guidà prucessi industriali impurtanti cum'è stazioni di energia solare termale, desalinizazione solare, sterilizazione, sistemi di riscaldamentu d'acqua solare è altre applicazioni legate à u calore. A desalinizazione solare offre una soluzione efficace, soprattuttu per i zoni chì mancanu infrastruttura, perchè pò estrae l'acqua fresca da l'acqua di mare senza input di energia supplementu.
Nta l'ultimi anni, a tecnulugia di l'evaporazione interfacial guidata da u sole localizza u prucessu di cunversione di u calore solare à l'interfaccia di u liquidu-vapore è hè diventata una nova tecnulugia d'utilizazione di l'energia solare. In cunfrontu cù u riscaldamentu integrale tradiziunale, i sistemi di evaporazione interfacial mostranu una efficienza di evaporazione più alta è una risposta termica più veloce è sò una alternativa potenziale per a desalinizazione di l'acqua di mare.
Finu a ora, assai studii sò stati realizati nantu à migliurà u rendiment termale di i sistemi di evaporazione interfacial. Un tipicu sistema di evaporazione interfacial guidatu da u sole hè custituitu di trè parti impurtanti:
Un assorbitore solare cù una alta assorbimentu solare è cunvertisce in modu efficiente a radiazione solare in energia termica; un insulator chì trasferisce u calore cunvertitu à l'acqua di massa; è un caminu di furnimentu d'acqua chì continuamente tira l'acqua da l'acqua in massa à a superficia di l'assorbitore solare.
In studii precedenti, un gran numeru di circadori si sò dedicati à migliurà l'efficienza generale di cunversione solare-vapore sintetizendu materiali à banda larga è assorbenti di energia solare, ottimizendu a cuncepzione di novi percorsi di furnimentu d'acqua è migliurendu e strutture d'isolamentu termicu.
Finu a ora, i sistemi di evaporazione interfacial guidati da u sole sò stati aduprati in parechji prucessi industriali, distillazione solare indotta, sterilizazione solare, desalinizazione solare è generazione di energia solare. Per ottene un rendimentu elevatu di evaporazione di u sistema, hè impurtante esplorà l'assorbimentu di banda larga in u spettru solare di materiali assorbenti solari.
I materiali assorbenti di l'energia solare sviluppati è esplorati in sistemi di evaporazione interfaciali guidati da u sole includenu principalmente materiali carboniosi, particelle plasmoniche è materiali assorbenti spettralmente selettivi. Frà elli, i materiali naturali neri è carboniosi anu una forte capacità di cunversione di u calore solare è sò adattati per a banda larga è assorbenti solari d'alta intensità.
A causa di u so altu tassu di absorption sulari, low cost, è una bona stabilità, assai assorbitori solari basati in carbonu sò stati studiati, cumprese nanotubi di carbone, grafite è ossidu di grafene ridutta. Dopu anni di sviluppu, l'efficienza di cunversione di u sole à vapore di u sistema sottu à a luce di u ghjornu hà righjuntu più di 90%.
Ancu s'ellu ci sò stati grandi miglioramenti in u sviluppu di materiali assorbenti di l'energia solare è di cuncepimentu di strutture di evaporazione interfaciali, a maiò parte di i dispositi di desalinizazione solare rappurtati prima sò dovuti à l'accumulazione di sali nantu à a superficia superiore di l'evaporatore durante u prucessu di desalinizazione. U salinu accumulatu blocca l'assorbimentu di u sole è blucca l'evaporatore poroso, risultatu in una bassa efficienza di cunversione da u sole à u calore è una scarsa prestazione di evaporazione.
I metudi fisichi tradiziunali cum'è l'onda ultrasonica è l'immersione in l'acqua sò generalmente usati per sguassà i sali accumulati, ma questi metudi ponu facilmente causà danni à a struttura di evaporazione di l'interfaccia.
Per riduce l'accumulazione di sali in i sistemi di evaporazione interfaciali, parechji studii anu focu annantu à u sviluppu di l'evaporazione idrofobica. Tuttavia, l'evaporatori idrofobi limitanu l'approvvigionamentu d'acqua à a superficia superiore, riducendu cusì u rendiment evaporativu di u sistema. Un'altra manera di risolve stu prublema hè di utilizà un evaporatore idrofilu, chì move l'excedente di u salinu da a superficia superiore à l'acqua in massa.
Ad oggi, molti studi si sono concentrati sulla progettazione di evaporatori idrofili, come membrane in tessuto di cellulosa idrofila, membrane idrofile a base di carta e evaporatori bio-ispirati. Ma u sviluppu di un sistema di evaporazione interfacial guidata da u sole, stabile è altamente efficiente à longu andà resta una sfida significativa.
In questu studiu, dimustremu una schiuma d'ossidu di grafene ridutta (rGO) resistente à u sali, altamente efficiente per l'assorbimentu di u sole è di rispunsibilità termica rapida per a desalinizazione interfacial guidata da u sole sottu illuminazione solare à bassa fluorescenza.
In a nova struttura porosa, a schiuma di melamina idrofila (MF) hè stata scelta cum'è basa, chì ùn solu espande a superficia per l'assorbimentu solare, ma migliora ancu a diffusione multipla.
L'idrofilia di a superficia è a porosità di a scuma di melamina rivestita di ossidu di grafene ridutta furnisce una bagnatura è una fusione sufficiente di a zona di cunversione di u calore solare, è ancu un rapidu rifornimentu di l'acqua, evitendu l'accumulazione di sali.
Apprufittannu di l'altu rendiment di a scuma di melamina rivestita d'ossidu di grafenu ridutta, u sistema interfacial alimentatu da u sole hè capace di una rata di cunversione di u sole à vapore di 89.6%.
Inoltre, integrendu a schiuma di melamina rivestita d'ossidu di grafene ridutta in l'energia solare cummerciale, avemu cuncepitu è fabbricatu un dispositivu di desalinizazione di l'acqua di mare interfacial guidata da u sole cù una efficienza di cunversione da u sole à l'acqua di 56.4% sottu a luce di u ghjornu. A causa di a desalinizazione solare, l'acqua pulita raccolta hè di qualità potabile.
Cù prestazioni di evaporazione superiore è scalabilità di i materiali di cunversione solare à termale, stu sistema per a desalinizazione di l'acqua di mare interfacial guidata da u sole presenta ampie prospettive di applicazione in applicazioni pratiche di desalinizazione di l'acqua di mare.
Scalabilità di i materiali di trasferimentu di calore di desalinizazione solare
Un sistema di evaporazione interfacciale basatu in schiuma di melamina rivestita di ossidu di grafene ridutta. Ter graphene oxide-coated melamine spuma hè in u mezzu è hè impannillata da una strata di spuma di polietilene (PE) à l'esternu per custruisce un sistema di evaporazione interfacial self-bubble.
A schiuma di melamina rivestita cù ossidu di grafene ridutta in telluriu hè aduprata per assorbe rapidamente a radiazione solare incidente, cunvertisce l'energia solare in calore, è generà una forza motrice per l'evaporazione interfacciale. D'altra parte, a schiuma di melamina idrofila rivestita di ossido di grafene ridottu pò attirare continuamente salamoia in a zona di evaporazione.
A struttura porosa di a scuma di melamina rivestita di triossidu di grafenu permette à u vapore generatu di scappà in l'ambiente, prumove a cattura di a luce di u sole è cusì aumentendu l'efficienza di a cunversione di u sole à u calore. A schiuma di melamina rivestita di ossidu di grafene ridutta hè porosa è idrofila, chì li permette di attirà l'acqua in a struttura di evaporazione descritta sopra mentre scompone simultaneamente i sali concentrati torna in l'acqua di mare in massa.
Durante u prucessu d'evaporazione, a cuncentrazione di sale à a schiuma hè più alta chè a cuncentrazione di l'acqua di mare in fondu. I cambiamenti di cuncentrazione facenu chì u sale si scomponi in acqua in massa. Inoltre, a schiuma di polietilene circundante ùn solu riduce a schiuma di melamina rivestita d'ossidu di grafene , ma si accumula ancu naturalmente nantu à a superficia di l'acqua, inibendu a perdita di calore causata da l'acqua salata circundante.
I sistemi di evaporazione di l'interfaccia ponu operare in modu continuu è efficiente nantu à a superficia di l'acqua senza a necessità di disinni cumplessi di custruzzione. Inoltre, postu chì l'evaporazione si trova à l'interfaccia gas-liquidu, u sistema di evaporazione interfacciale pò muvimenti autonomamente quandu l'interfaccia recedes.
A schiuma di melamina rivestita di ossidu di grafene ridutta in telluriu hè un cumpunente chjave di u sistema di evaporazione interfacciale. A schiuma di melamina hè stata immersa in una sospensione colloidale di ossidu di grafene per preparà una schiuma di melamina rivestita d'ossidu di grafene ridutta, è dopu l'ossidu di grafene hè stata ridutta in ossidu di grafene ridutta utilizendu un metudu idrotermale.
A scuma di melamina ridutta di oxidu di grafenu cù un diametru di 3.5 cm è un grossu di 1.6 cm hè faciule da fabricà è u so culore hè neru profondu.
A rugosità di a superficia di u materiale di scuma di melamina rivestita d'ossidu di grafene ridutta osservata cù un microscopiu otticu tridimensionale hà mostratu una variazione d'altezza di più di 300 μm. A struttura di a superficia rugosa di i composti di cunversione termica solare hè principalmente attribuita à a struttura porosa di scuma di melamina, è l'ossidu di grafene ridutta mudificatu aumenta ancu a rugosità di a superficia.
A rugosità di a superficia amplifica a superficia di assorbimentu solare mentre aumenta a dispersione multipla di a luce di u sole incidente, migliurà cusì l'efficienza di cunversione da u sole à u calore di u sistema. Microstruttura di a scuma melamina preparata à diversi ingrandimenti. A superficia di schiuma di melamina rivestita d'ossidu di grafene mostra una struttura di rete arrugata è interconnessa.
A dimensione di i pori di a schiuma di melamina rivestita di rGO hè trà 20 è 40 μm. A struttura di pori aperti è a superficia arrugata facilitanu a deposizione di l'ossidu di grafene. A schiuma di melamina rivestita di ossidu di grafene ridutta hà una bona bagnabilità di l'acqua per via di l'idrofilia di a schiuma di melamina porosa.
Una volta chì una goccia d'acqua tocca a superficia di a scuma di melamina rivestita d'ossidu di grafene ridutta, hè completamente assorbita in 0.5 seconde. A superficia idrofila di compositi di ossidu di grafene ridutta pò guidà rapidamente u drenaje in a struttura porosa. A porosità di a scuma di melamina rivestita d'ossidu di grafene ridutta hè stata determinata paragunendu i cambiamenti di massa prima è dopu l'assorbimentu d'acqua.
A porosità di a scuma di melamina rivestita d'ossidu di grafenu pò ghjunghje à 85.55%. L'assorbimentu di l'energia solare da a scuma di melamina rivestita d'ossidu di grafenu influenza direttamente l'efficienza di cunversione solare à calore di u sistema. Per valutà a resistenza di u sali, a scuma di melamina rivestita d'ossidu di grafene ridutta hè stata posta in una soluzione di cloruru di sodiu (3.5 % in peso).
Allora 3 g di chlorure di sodiu solidu hè stata posta nantu à a superficia superiore è a scuma di melamine di Tergo-coated hè stata posta à una densità di u sole di 1 kW m-2. A quantità di sali solidu si dissolve gradualmente dopu à 120 minuti.
Quandu a luce di u sole brilla nantu à a superficia superiore di a schiuma di melamina rivestita di rGO , a temperatura di a schiuma di melamina rivestita di rGO aumenta rapidamente in pochi minuti è ferma à 35 ° C durante tuttu u prucessu di evaporazione. Siccomu a solubilità di u sale dipende da a temperatura, più alta hè a temperatura, più velocemente u sale si dissolve è dunque u ferru di u sale pò esse ridissolutu in l'acqua superficiale.
In a scuma di melamina rivestita d'ossidu di grafene ridutta, chì hà numerosi pori cù una capacità d'absorzione d'acqua alta chì ponu furnisce un fornimentu d'acqua cuntinuu à a superficia superiore, i sali ponu spustà da a superficia superiore à a sublayer di l'acqua. I cambiamenti di temperatura portanu à cambiamenti di salinità trà a superficia di evaporazione superiore è u corpu.
Per ottene un assorbimentu di l'energia solare à banda larga è efficiente, a schiuma di melamina hè stata mudificata cù schiuma di melamina idrofila porosa, aumentendu cusì a superficia di assorbimentu solare è aumentendu a dispersione multipla.
U sistema di evaporazione di l'interfaccia solare basatu in schiuma di melamina rivestita di rGO mostra una risposta termica rapida à una densità di energia solare di 1 kW m−2, ottenendu una efficienza di cunversione termica solare di 89.6%.
Infine, avemu integratu un evaporatore di scuma di melamina rivestita di grafene ridutta in un alambicu solare, chì pò pruduce 56.4% d'acqua potabile cù accumulazione di salinu à 1 kW m−2.
Pensemu chì stu dispusitivu di desalinizazione interfacial alimentatu da u sole puderia esse usatu in isule isolate o in l'oceanu per cullà l'acqua potabile da l'acqua di mare abbundante o altre risorse d'acqua salata.
cunchiusioni
A desalinizazione rGO-coated melamine foam, cum'è una tecnulugia di desalinizazione solare innovativa è efficiente, hà un grande potenziale è prospettive d'applicazione. Ùn pò micca solu furnisce risorse affidabili d'acqua fresca per e zone scarse d'acqua, ma ancu riduce a dipendenza da l'energia tradiziunale, riduce u cunsumu d'energia è a contaminazione ambientale.
I risultati di sta ricerca feranu una cuntribuzione impurtante per risolve u prublema globale di carenza di risorse d'acqua dolce è prumove a realizazione di u sviluppu durevule.
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