Als nachhaltige Methode zur Nutzung von Wasserressourcen bietet die solare Entsalzung großes Potenzial, das Problem unzureichender Süßwasserressourcen zu lösen und Wasserknappheit zu lindern. Die herkömmliche Meerwasserentsalzungstechnologie ist jedoch häufig mit Problemen wie hohem Energieverbrauch, komplexer Ausrüstung und hohen Kosten verbunden.
In den letzten Jahren haben neue Beschichtungstechnologien für die Entsalzung auf Basis von Nanomaterialien zunehmend die Aufmerksamkeit der Forscher auf sich gezogen. Graphenoxid-reduziertes Graphen hat als neues zweidimensionales Material erhebliches Potenzial für die solare Entsalzung gezeigt.
Im Vergleich zu herkömmlichen Entsalzungsbeschichtungsmaterialien weist rGO die Vorteile einer hervorragenden Leitfähigkeit, einer großen spezifischen Oberfläche und einer guten chemischen Stabilität auf und dürfte die Entsalzungseffizienz verbessern und den Energieverbrauch senken.
Reduziertes Graphenoxid (rGO) neigt jedoch zur Aggregation und Ablagerung, was seine Aktivität und Stabilität beeinträchtigt. Daher hat sich die Fixierung von rGO auf Schaummaterialien zur Bildung einer Melaminschaum /rGO-Verbundbeschichtung als effektive Methode zur Verbesserung der Entsalzungseffizienz und -stabilität erwiesen.
Durch Oberflächenmodifizierung und Verbesserung der Trägereigenschaften des Schaummaterials fixierten wir rGO gleichmäßig auf der Schaumoberfläche, um die Kontaktfläche mit den Salzionen im Wasser zu vergrößern. Gleichzeitig wurden Struktur und Dicke der rGO-Beschichtung kontrolliert, um die Entsalzungseffizienz und -stabilität zu optimieren.
Um den Entsalzungsmechanismus besser zu verstehen, haben wir außerdem einen reduzierten Graphenoxid-Schaum (rGO) hergestellt. Graphentrioxid-beschichteter Melaminschaum verfügt über eine inhärente poröse Mikrostruktur und Hydrophilie, wodurch er eine gute Benetzbarkeit aufweist und Wasser in den Verdunstungsbereich ziehen kann. Dadurch kann Wasser schnell nachgefüllt werden, ohne dass Salzablagerungen entstehen.
Das Grenzflächenverdampfungssystem aus graphenoxidbeschichtetem Melaminschaum erreicht bei 89.6 kW m−1 Solarbrennstoff eine stationäre Verdampfungseffizienz von 2 %. Dieses Grenzflächenverdampfungssystem zeichnet sich durch eine hohe Solar-Wärme-Umwandlungseffizienz und eine gute Langzeitstabilität aus und bietet Potenzial für die kommerzielle Meerwasserentsalzung.
Die globale Energiekrise und der Wassermangel stellen gegenwärtig eine große Bedrohung für die nachhaltige Entwicklung der menschlichen Gesellschaft dar. Um den steigenden Energiebedarf zu decken, wird der Entwicklung verschiedener leistungsstarker Technologien zur Energieumwandlung und Wasseraufbereitung zunehmende Aufmerksamkeit gewidmet.
Solarbetriebene Grenzflächenverdampfungstechnologie
Solarenergie gilt aufgrund ihrer extrem hohen Kapazität, ihrer Universalität, ihrer Sauberkeit und ihrer multifunktionalen Umwandlungsmöglichkeiten als vielversprechende erneuerbare Energiequelle. Sie hat das Potenzial, fossile Brennstoffe zu ersetzen, die bisher in fossilen Brennstoffen verwendet wurden.
Zusätzlich zur direkten Erzeugung elektrischer Energie durch Photovoltaik gibt es auch die Technologie zur Umwandlung von Solarthermie, die Sonnenenergie absorbiert und in Wärmeenergie umwandelt. Dies gilt als einfache und effektive Möglichkeit zur Nutzung der Sonnenenergie.
Die aus Sonnenenergie gewonnene Wärmeenergie kann wichtige industrielle Prozesse wie Solarthermiekraftwerke, solare Entsalzung, Sterilisation, solare Warmwasserbereitung und andere wärmebezogene Anwendungen antreiben. Die solare Entsalzung bietet insbesondere für Gebiete ohne Infrastruktur eine effektive Lösung, da sie ohne zusätzlichen Energieeinsatz Süßwasser aus Meerwasser gewinnen kann.
In den letzten Jahren hat sich die solarbetriebene Grenzflächenverdampfungstechnologie, bei der die Umwandlung von Sonnenwärme an der Flüssigkeits-Dampf-Grenzfläche stattfindet, zu einer neuen Technologie zur Nutzung von Solarenergie entwickelt. Im Vergleich zur herkömmlichen Integralheizung weisen Grenzflächenverdampfungssysteme eine höhere Verdampfungseffizienz und eine schnellere thermische Reaktion auf und stellen eine potenzielle Alternative zur Meerwasserentsalzung dar.
Bisher wurden zahlreiche Studien zur Verbesserung der thermischen Leistung von Grenzflächenverdampfungssystemen durchgeführt. Ein typisches solarbetriebenes Grenzflächenverdampfungssystem besteht aus drei wichtigen Komponenten:
Ein Solarabsorber mit hoher Solarabsorption, der Sonnenstrahlung effizient in Wärmeenergie umwandelt; ein Isolator, der die umgewandelte Wärme auf das Grundwasser überträgt; und ein Wasserversorgungspfad, der kontinuierlich Wasser aus dem Grundwasser an die Oberfläche des Solarabsorbers zieht.
In früheren Studien haben sich zahlreiche Forscher der Verbesserung der Gesamteffizienz der Solar-zu-Dampf-Umwandlung gewidmet, indem sie breitbandige und solarenergieabsorbierende Materialien synthetisierten, die Gestaltung neuer Wasserversorgungswege optimierten und Wärmedämmstrukturen verbesserten.
Solarbetriebene Grenzflächenverdampfungssysteme werden bereits in vielen industriellen Prozessen eingesetzt, beispielsweise bei der induzierten Solardestillation, der Solarsterilisation, der solaren Entsalzung und der Solarstromerzeugung. Um eine hohe Verdampfungsleistung des Systems zu erreichen, ist es wichtig, die Breitbandabsorption solarabsorbierender Materialien über das gesamte Sonnenspektrum hinweg zu untersuchen.
Die in solarbetriebenen Grenzflächenverdampfungssystemen entwickelten und erforschten Materialien zur Absorption von Sonnenenergie umfassen hauptsächlich kohlenstoffhaltige Materialien, plasmonische Partikel und spektral selektiv absorbierende Materialien. Unter ihnen weisen natürliche schwarze und kohlenstoffhaltige Materialien eine starke Fähigkeit zur Umwandlung von Sonnenwärme auf und eignen sich für breitbandige und hochintensive Solarabsorber.
Aufgrund ihrer hohen Solarabsorptionsrate, ihrer geringen Kosten und ihrer guten Stabilität wurden viele kohlenstoffbasierte Solarabsorber untersucht, darunter Kohlenstoffnanoröhren, Graphit und reduziertes Graphenoxid. Nach jahrelanger Entwicklung liegt der Wirkungsgrad der Solar-zu-Dampf-Umwandlung des Systems bei Tageslicht bei über 90 %.
Obwohl es große Fortschritte bei der Entwicklung von Materialien zur Absorption von Sonnenenergie und der Gestaltung von Grenzflächenverdampfungsstrukturen gab, waren die meisten bisher bekannten solaren Entsalzungsanlagen auf Salzablagerungen auf der Oberfläche des Verdampfers während des Entsalzungsprozesses zurückzuführen. Das angesammelte Salz blockiert die Sonnenabsorption und verstopft den porösen Verdampfer, was zu einer geringen Umwandlungseffizienz von Sonnenenergie in Wärme und einer schlechten Verdampfungsleistung führt.
Zum Entfernen angesammelter Salze werden im Allgemeinen herkömmliche physikalische Methoden wie Ultraschallwellen und Wasserimmersion verwendet. Diese Methoden können jedoch leicht zu Schäden an der Verdampfungsstruktur der Grenzfläche führen.
Um die Salzansammlung in Grenzflächenverdampfungssystemen zu reduzieren, konzentrierten sich viele Studien auf die Entwicklung hydrophober Verdampfungsverfahren. Hydrophobe Verdampfer begrenzen jedoch die Wasserzufuhr zur Oberfläche und verringern dadurch die Verdunstungsleistung des Systems. Eine andere Möglichkeit zur Lösung dieses Problems ist der Einsatz eines hydrophilen Verdampfers, der überschüssiges Salz von der Oberfläche in das Hauptwasser transportiert.
Bisher konzentrierten sich viele Studien auf die Entwicklung hydrophiler Verdampfer, beispielsweise hydrophiler Zellulosegewebemembranen, hydrophiler Membranen auf Papierbasis und bioinspirierter Verdampfer. Die Entwicklung eines langzeitstabilen und hocheffizienten solarbetriebenen Grenzflächenverdampfungssystems bleibt jedoch eine große Herausforderung.
In dieser Studie demonstrieren wir einen salzbeständigen, hocheffizienten, solarabsorbierenden und schnell thermisch reagierenden Schaum aus reduziertem Graphenoxid (rGO) für die solarbetriebene Grenzflächenentsalzung unter schwach fluoreszierender Solarbeleuchtung.
In der neuen porösen Struktur wurde hydrophiler Melaminschaum (MF) als Basis gewählt, der nicht nur die Oberfläche für die solare Absorption vergrößert, sondern auch die Mehrfachstreuung verstärkt.
Die Oberflächenhydrophilie und Porosität des mit reduziertem Graphenoxid beschichteten Melaminschaums sorgen für eine ausreichende Benetzung und Verschmelzung der Solarwärmeumwandlungszone sowie eine schnelle Wasserauffüllung, während die Ansammlung von Salzen vermieden wird.
Das solarbetriebene Grenzflächensystem nutzt die hohe Leistungsfähigkeit des mit reduziertem Graphenoxid beschichteten Melaminschaums und erreicht eine Umwandlungsrate von Solarenergie in Dampf von 89.6 %.
Darüber hinaus haben wir durch die Integration von reduziertem, mit Graphenoxid beschichtetem Melaminschaum in kommerzielle Solarenergie eine solarbetriebene Grenzflächen-Meerwasserentsalzungsanlage mit einem Solar-Wasser-Umwandlungswirkungsgrad von 56.4 % bei Tageslicht entwickelt und hergestellt. Dank der solaren Entsalzung hat das gewonnene saubere Wasser die erforderliche Trinkwasserqualität.
Dank der überlegenen Verdampfungsleistung und Skalierbarkeit der Materialien zur Umwandlung von Solar- in Wärmeenergie bietet dieses System zur solarbetriebenen Meerwasserentsalzung an Grenzflächen breite Anwendungsmöglichkeiten in der praktischen Meerwasserentsalzung.
Skalierbarkeit von Wärmeübertragungsmaterialien für die solare Entsalzung
Ein Grenzflächenverdampfungssystem basierend auf reduziertem, graphenoxidbeschichtetem Melaminschaum. Der graphenoxidbeschichtete Melaminschaum befindet sich in der Mitte und ist außen von einer Schicht Polyethylenschaum (PE) umhüllt, wodurch ein selbstblasendes Grenzflächenverdampfungssystem entsteht.
Mit tellurreduziertem Graphenoxid beschichteter Melaminschaum absorbiert schnell einfallende Sonnenstrahlung, wandelt Sonnenenergie in Wärme um und erzeugt eine Antriebskraft für die Grenzflächenverdampfung. Hydrophiler, mit reduziertem Graphenoxid beschichteter Melaminschaum hingegen kann kontinuierlich Salzlake in die Verdampfungszone ziehen.
Die poröse Struktur des mit Graphentrioxid beschichteten Melaminschaums ermöglicht es dem entstehenden Dampf, in die Umgebung zu entweichen. Dies fördert die Aufnahme von Sonnenlicht und erhöht so die Effizienz der Umwandlung von Solarenergie in Wärme. Der reduzierte, mit Graphenoxid beschichtete Melaminschaum ist porös und hydrophil, wodurch er Wasser in die oben beschriebene Verdunstungsstruktur aufnehmen und gleichzeitig konzentrierte Salze zurück in das Meerwasser abbauen kann.
Während des Verdunstungsprozesses ist die Salzkonzentration im Schaum höher als die des Meerwassers am Grund. Konzentrationsänderungen führen dazu, dass sich das Salz im Wasser löst. Zusätzlich reduziert der umgebende Polyethylenschaum nicht nur die Verdunstung des mit Graphenoxid beschichteten Melaminschaums , sondern sammelt sich auch auf der Wasseroberfläche und verringert so den Wärmeverlust durch das umgebende Salzwasser.
Grenzflächenverdampfungssysteme können kontinuierlich und effizient auf Wasseroberflächen betrieben werden, ohne dass komplexe Konstruktionen erforderlich sind. Da die Verdampfung an der Gas-Flüssigkeits-Grenzfläche stattfindet, kann sich das Grenzflächenverdampfungssystem zudem autonom bewegen, wenn sich die Grenzfläche zurückzieht.
Mit Tellur reduziertem Graphenoxid beschichteter Melaminschaum ist eine Schlüsselkomponente des Grenzflächenverdampfungssystems. Melaminschaum wurde in eine kolloidale Graphenoxidsuspension getaucht, um mit reduziertem Graphenoxid beschichteten Melaminschaum herzustellen. Anschließend wurde Graphenoxid mithilfe eines hydrothermalen Verfahrens zu reduziertem Graphaminoxid reduziert.
Mit reduziertem Graphenoxid beschichteter Melaminschaum mit einem Durchmesser von 3.5 cm und einer Dicke von 1.6 cm ist einfach herzustellen und hat eine tiefschwarze Farbe.
Die Oberflächenrauheit des mit reduziertem Graphenoxid beschichteten Melaminschaummaterials zeigte unter einem dreidimensionalen optischen Mikroskop eine Höhenvariation von über 300 μm. Die raue Oberflächenstruktur von solarthermischen Umwandlungsverbundstoffen ist hauptsächlich auf die poröse Struktur des Melaminschaums zurückzuführen, und das modifizierte reduzierte Graphenoxid erhöht zusätzlich die Oberflächenrauheit.
Oberflächenrauheit vergrößert die Solarabsorptionsfläche und erhöht gleichzeitig die Mehrfachstreuung des einfallenden Sonnenlichts. Dadurch verbessert sich die Effizienz der Solar-in-Wärme-Umwandlung des Systems. Mikrostruktur des hergestellten Melaminschaums in verschiedenen Vergrößerungen. Die mit Graphenoxid beschichtete Melaminschaumoberfläche weist eine faltige und vernetzte Netzwerkstruktur auf.
Die Porengröße von rGO-beschichtetem Melaminschaum liegt zwischen 20 und 40 μm. Die offene Porenstruktur und die faltige Oberfläche erleichtern die Ablagerung von Graphenoxid. Der mit reduziertem Graphenoxid beschichtete Melaminschaum weist aufgrund seiner Hydrophilie eine gute Wasserbenetzbarkeit auf.
Sobald ein Wassertropfen die Oberfläche des mit reduziertem Graphenoxid beschichteten Melaminschaums berührt, wird er innerhalb von 0.5 Sekunden vollständig absorbiert. Die hydrophile Oberfläche der Graphenoxid-Verbundwerkstoffe ermöglicht eine schnelle Drainage innerhalb der porösen Struktur. Die Porosität des mit reduziertem Graphenoxid beschichteten Melaminschaums wurde durch Vergleich der Massenänderungen vor und nach der Wasseraufnahme bestimmt.
Die Porosität von mit Graphenoxid beschichtetem Melaminschaum kann 85.55 % erreichen. Die Absorption von Sonnenenergie durch reduzierten, mit Graphenoxid beschichteten Melaminschaum beeinflusst direkt die Effizienz der Umwandlung von Solarenergie in Wärme des Systems. Zur Bewertung der Salzbeständigkeit wurde reduzierter, mit Graphenoxid beschichteter Melaminschaum in eine Natriumchloridlösung (3.5 Gew.-%) gegeben.
Anschließend wurden 3 g festes Natriumchlorid auf die Oberseite gegeben und der Tergo-beschichtete Melaminschaum bei einer Solardichte von 1 kW m−2 platziert. Die Menge des festen Salzes löste sich nach 120 Minuten allmählich auf.
Wenn Sonnenlicht auf die Oberfläche des mit rGO beschichteten Melaminschaums trifft , steigt dessen Temperatur innerhalb weniger Minuten rapide an und bleibt während des gesamten Verdunstungsprozesses bei 35 °C. Da die Löslichkeit von Salzen temperaturabhängig ist, löst sich das Salz mit steigender Temperatur schneller auf und kann somit wieder im Oberflächenwasser gelöst werden.
In reduziertem, mit Graphenoxid beschichtetem Melaminschaum, der zahlreiche Poren mit hoher Wasseraufnahmekapazität aufweist und so eine kontinuierliche Wasserversorgung der Oberfläche gewährleistet, können Salze von der Oberfläche in die darunterliegende Wasserschicht wandern. Temperaturschwankungen führen zu Salzgehaltsänderungen zwischen der oberen Verdunstungsfläche und dem Körper.
Um eine breitbandige und effiziente Absorption der Sonnenenergie zu erreichen, wurde Melaminschaum mit porösem hydrophilem Melaminschaum modifiziert, wodurch die Absorptionsfläche der Sonnenenergie vergrößert und die Mehrfachstreuung erhöht wurde.
Das solare Grenzflächenverdampfungssystem auf Basis von rGO-beschichtetem Melaminschaum zeigt eine schnelle thermische Reaktion bei einer Solarleistungsdichte von 1 kW m−2 und erreicht einen stationären solarthermischen Umwandlungswirkungsgrad von 89.6 %.
Schließlich haben wir einen mit reduziertem Graphenoxid beschichteten Melaminschaumverdampfer in eine Solardestille integriert, die bei 56.4 kW m−1 2 % Trinkwasser mit Salzanreicherung produzieren kann.
Wir können uns vorstellen, dass dieses solarbetriebene Grenzflächen-Entsalzungsgerät auf isolierten Inseln oder im Meer eingesetzt werden könnte, um Trinkwasser aus reichlich vorhandenem Meerwasser oder anderen Salzwasserressourcen zu gewinnen.
Fazit
Entsalzung mit rGO-beschichtetem Melaminschaum bietet als innovative und effiziente Solarentsalzungstechnologie großes Potenzial und vielfältige Anwendungsmöglichkeiten. Sie kann nicht nur zuverlässig Süßwasserressourcen für wasserarme Gebiete bereitstellen, sondern auch die Abhängigkeit von herkömmlicher Energie verringern und so den Energieverbrauch und die Umweltverschmutzung reduzieren.
Die Ergebnisse dieser Forschung werden einen wichtigen Beitrag zur Lösung des globalen Problems der Süßwasserressourcenknappheit leisten und die Verwirklichung einer nachhaltigen Entwicklung fördern.
Für weitere Informationen zu SINOYQX Melaminschaum kontaktieren Sie uns bitte unter [email protected] oder telefonisch unter +86-28-8411-1861.
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