Die solargetriebene Grenzflächenverdampfung (SIE) gilt aufgrund ihrer Fähigkeit, Solarenergie effizient zur Süßwasserproduktion zu nutzen, als eine der vielversprechendsten Technologien zur Linderung von Süßwasserknappheit. Darüber hinaus bieten Solarverdampfer einzigartige Vorteile bei der Behandlung konzentrierter Salzabwässer . Der Verdampfungsprozess erzeugt als einziges Nebenprodukt Salzkristalle, wodurch eine abwasserfreie Produktion erreicht wird. Die Ansammlung von Salz im Verdampfer behindert jedoch die Lichtabsorption und den Dampfaustritt, was letztendlich zu einer Verringerung der Verdampfungsleistung oder sogar zum Ausfall des Verdampfers führen kann.
Um dieses Problem zu lösen, haben einige Forscher eine Salzzirkulationsstrategie vorgeschlagen. Dabei wird ein Zirkulationspfad für die Lösung entwickelt, der den Rückfluss von Salzionen in die Sole ermöglicht. Dadurch wird die Salzkristallisation auf der Verdampfungsfläche verhindert und eine kontinuierliche und stabile Verdampfung erreicht. Diese Methode führt jedoch zu einem Anstieg des Salzgehalts der Lösung, und das Problem der Salzkristallisation bleibt weiterhin unvermeidbar.
Eine weitere Lösung ist die „Aussalzstrategie“. Dabei wird die Struktur so reguliert, dass das Salz bevorzugt im Nichtverdampfungsbereich kristallisiert. Dadurch wird der Einfluss der Salzkristallisation auf die Verdunstungsleistung reduziert und die gleichzeitige Gewinnung von Salz und Süßwasser erreicht. Die „Aussalzstrategie“ steht in der praktischen Anwendung jedoch noch vor großen Herausforderungen.
Erstens begrenzt der eindimensionale Soletransport die Absorptionskapazität und reduziert die Gesamtverdampfungsrate deutlich. Zweitens erfordert die Salzkristallisationsstrategie die regelmäßige Entfernung von Salzkristallen, die sich aufgrund ihrer starken Haftung nur schwer automatisch von der Verdampferoberfläche ablösen. Wird das abgelagerte Salz nicht rechtzeitig entfernt, verringert sich zwangsläufig die Verdampfungsleistung. Darüber hinaus erfordern viele hocheffiziente Solarverdampfer gefährliche oder zeitaufwändige Vorbereitungsprozesse wie Hochdruck-, Niedervakuum- oder Hochtemperatur-Wärmebehandlungen.
Daher ist die Entwicklung eines langlebigen Solarverdampfers zur langfristigen, effizienten und stabilen Wasserverdampfung und Salzgewinnung durch einen einfachen Vorbereitungsprozess für eine abflussfreie Entsalzung ein bisher unerreichtes wissenschaftliches Ziel.
Auf der Grundlage der oben genannten Herausforderungen hat das Forschungsteam der Shandong First Medical University einen dreidimensionalen Gradienten-Spiral-Aerogel-Verdampfer aus Graphen entwickelt, der eine effiziente solare Verdampfung von hochkonzentriertem Salzwasser ermöglicht und einen Flüssigkeitsausstoß von null Gradienten erreicht.
Um die hohen Anforderungen an Solarverdampfer hinsichtlich effizienter Solarabsorption, vollständiger Energieausnutzung, hervorragender Salzbeständigkeit und Langzeitstabilität zu erfüllen, konzentriert sich das Projektdesign vor allem auf die folgenden vier Kernpunkte:
Schwerpunkt auf Strukturdesign und Verbesserung der chemischen Stabilität
Der Verdampfer muss über eine stabile Netzwerkstruktur und chemische Stabilität verfügen, was für eine langfristige, effiziente und stabile solare Entsalzung unerlässlich ist. Daher wählten sie kostengünstigen, superhydrophilen, hochporösen und hochelastischen Melaminschaum als Trägermaterial für den Solarverdampfer.
Anschließend untersuchten sie die mechanischen Eigenschaften von Graphen-Aerogelen mit Melaminschaum als Skelett in mehreren Modi, einschließlich Kompression, Biegung und Spannung, um ihre mechanischen Eigenschaften umfassend zu bewerten.
Um die Robustheit und Haltbarkeit unter tatsächlichen Anwendungsbedingungen weiter zu überprüfen, führte das Forschungsteam Tests unter verschiedenen Extrembedingungen durch.
Konkret wurde die Probe 20 Mal wiederholt an der Luft und im Wasser gebogen, in saure und alkalische Lösungen getaucht und extremen Bedingungen wie hohen Temperaturen und Ultraschallrührung ausgesetzt.
Nach diesen strengen Tests stellten sie keine signifikanten Veränderungen im Aussehen und der Mikrostruktur der Probe fest, was ihre hervorragende Haltbarkeit und strukturelle Stabilität voll und ganz unter Beweis stellte.
Fokus auf Vereinfachung und wirtschaftlicher Verbesserung von Fertigungsprozessen
Um den Herstellungsprozess des Verdampfers zu vereinfachen und wirtschaftlich zu gestalten und den Einsatz teurer Geräte zu vermeiden, haben sie die folgenden Vorbereitungsschritte entwickelt:
Der erste Schritt ist das Heißpressen
Mithilfe der Heißpresstechnologie komprimierte das Forschungsteam Melaminschäume unterschiedlicher Dicke, um einen vorgepressten Melaminfilm mit einer Dicke von 1 mm zu erhalten.
Während dieses Prozesses, wenn das Verhältnis der ursprünglichen Dicke der Probe zur endgültigen Dicke nach dem Komprimieren zunimmt, wird die Porengröße des vorgepressten Melaminfilms fein von 150 μm auf 20 μm reguliert, wodurch eine einzigartige dreidimensionale Gradientennetzwerkstruktur entsteht.
Der zweite Schritt ist das Oberflächensprühen
Die Graphenoxid-Suspension wird mithilfe einer Sprühflasche gleichmäßig auf die Oberfläche der vorgepressten Melaminfolie aufgesprüht . Dadurch wird eine gleichmäßige Verteilung des Graphenoxids in der Folie erreicht, was die Grundlage für die nachfolgende solare Reduktion bildet.
Der dritte Schritt ist die Atmosphärendrucktrocknung
Nach dem Sprühen wurde der Film direkt an der Luft getrocknet. Dieser Schritt vermeidet komplexe, zeit- und energieintensive Vorbereitungsprozesse wie Gefriertrocknung, überkritische Trocknung und Lösungsmittelaustausch.
Der vierte Schritt ist die Reduzierung des Sonnenlichts
Das heißt, mit einer Lupe wird Sonnenlicht auf die Probe fokussiert. Unter Einwirkung ultravioletter Strahlen ändert sich die Farbe der Probenoberfläche schnell von Braun nach Schwarz, was darauf hinweist, dass das Graphenoxid erfolgreich zu reduziertem Graphenoxid reduziert wurde.
Dieses solare Reduktionsverfahren ist nicht nur einfach zu handhaben und umweltfreundlich, sondern kommt auch ohne den Einsatz chemischer Reduktionsmittel oder thermischer Reduktionsprozesse bei hohen Temperaturen aus, wodurch die Produktionskosten und die Umweltbelastung deutlich reduziert werden.
Fokus auf effiziente Solarenergieaufnahme und Minimierung von Energieverlusten
Solarverdampfer müssen nicht nur ein breites Spektrum an Sonnenenergie absorbieren und in Wärmeenergie umwandeln, sondern auch Energieverluste durch diffuse Reflexion und Wärmestrahlung minimieren und zusätzliche Energie aus der Umgebung aufnehmen. Der Verdampfungsprozess an der Solarschnittstelle wird durch drei Energieflüsse gesteuert: Sonnenenergiezufuhr, Verdampfungsenergieabgabe und an die Umgebung abgegebene Energie.
Leider haben herkömmliche zweidimensionale Solarverdampfer aufgrund des Wärmeaustauschs mit der Umgebung mit Energieverlusten zu kämpfen. Dadurch ist es schwierig, den idealen Wirkungsgrad von 100 % bei der Umwandlung von Solarenergie in Dampf zu erreichen. Dreidimensionale Solarverdampfer hingegen können die theoretische Grenze des Wirkungsgrads bei der Umwandlung von Solarenergie in Dampf überschreiten.
Um den Energieverlust durch diffuse Reflexion und Wärmestrahlung auf der Oberseite der dreidimensionalen Probe zu reduzieren, entwickelte das Team ein dreidimensionales spiralförmig konkaves Graphen-Aerogel.
Diese Struktur weist nicht nur eine höhere Absorption und eine geringere Reflektivität auf, ihre Seitenwände sind auch in der Lage, Umgebungswärme und diffus von der Unterseite reflektierte Wärme zu absorbieren und ermöglichen so eine effektive Energierückgewinnung.
Fokus auf Salztoleranzoptimierung und Salzkristallisationsmanagement
Das heißt: Durch die Entwicklung eines einzigartigen Transportkanals wird der radiale Transport der Sole gefördert, was zu einer gerichteten Kristallisation des Salzes führt. Dieses Design verhindert nicht nur effektiv Salzablagerungen und Verstopfungen auf der Verdampferoberfläche, sondern ermöglicht auch die effektive Sammlung und Nutzung des Salzes und verbessert so die Effizienz und Nachhaltigkeit des Entsalzungsprozesses deutlich.
Konkret entwickelten und fertigten sie eine dreidimensionale Gradienten-Graphennetzwerkstruktur auf Basis einer vorgepressten, porösen Melaminfolie . Dieses Gradienten-Graphennetzwerk, das innen dünn und außen dicht ist, erzeugt eine radiale Kapillarkraftdifferenz, die den radialen Transport der Sole fördert. Mit der kontinuierlichen Dampferzeugung erhöht der radiale Solefluss die Solekonzentration an der Außenfläche, wodurch das Salz gezielt an der Außenfläche anstatt an der Innenfläche kristallisiert. Diese Konstruktion gewährleistet, dass die Innenfläche des Verdampfers eine ausreichende Verdampfungsfläche aufweist und somit eine effiziente und stabile solare Verdampfung erreicht wird.
Erwähnenswert ist, dass der Verdampfer seine gesamte Außenfläche zur Salzkristallisation nutzt, wodurch die Kristallisationsfläche viel größer ist als bei anderen Verdampfern mit gerichteter Kristallisation.
Salzkristalle bestehen hauptsächlich aus locker gepackten Salzkristallen mit zahlreichen Poren, die den Transport von Salzlake und die Freisetzung von Dampf begünstigen.
Darüber hinaus ist die Oberflächentemperatur der Salzschicht aufgrund des Verdunstungskühleffekts niedriger als die Umgebungstemperatur. Dadurch kann der Verdampfer mehr Energie aus der Umgebung aufnehmen und so die Verdunstungsleistung weiter verbessern.
Artikelquelle: Deep Tech
Die Forschungsgruppe: Shandong First Medical University Team Research Group
Der Artikel wurde zitiert von: https://www.163.com/dy/article/J1RENDEH05119734.html
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