Công nghệ bay hơi giao diện sử dụng năng lượng mặt trời (SIE) được coi là một trong những công nghệ triển vọng nhất để giảm thiểu tình trạng thiếu nước ngọt nhờ khả năng sử dụng năng lượng mặt trời hiệu quả để sản xuất nước ngọt. Ngoài ra, các thiết bị bay hơi năng lượng mặt trời còn có những ưu điểm độc đáo trong việc xử lý nước thải mặn đậm đặc . Quá trình bay hơi chỉ tạo ra các tinh thể muối như một sản phẩm phụ, do đó đạt được mục tiêu không thải chất lỏng ra môi trường. Tuy nhiên, sự tích tụ muối trong thiết bị bay hơi sẽ cản trở sự hấp thụ ánh sáng và ảnh hưởng đến sự thoát hơi nước, cuối cùng dẫn đến giảm hiệu suất bay hơi của thiết bị hoặc thậm chí gây hỏng hóc.
Để khắc phục vấn đề này, một số nhà nghiên cứu đã đề xuất chiến lược “tuần hoàn muối”. Nghĩa là, thiết kế một đường tuần hoàn cho dung dịch để các ion muối chảy ngược vào nước muối, do đó ngăn không cho muối kết tinh trên bề mặt bốc hơi, do đó đạt được sự bốc hơi liên tục và ổn định. Tuy nhiên, phương pháp này sẽ khiến độ mặn của dung dịch tăng lên và vấn đề kết tinh muối vẫn không thể tránh khỏi.
Một giải pháp khác là chiến lược “muối ra”. Nghĩa là, cấu trúc được điều chỉnh sao cho muối được kết tinh ưu tiên ở vùng không bốc hơi, do đó làm giảm tác động của kết tinh muối đến hiệu suất bốc hơi, do đó đạt được việc thu thập đồng thời muối và nước ngọt. Tuy nhiên, chiến lược “muối ra” vẫn phải đối mặt với một số thách thức nghiêm trọng trong ứng dụng thực tế.
Đầu tiên, vận chuyển nước muối một chiều hạn chế khả năng hấp thụ, làm giảm đáng kể tốc độ bay hơi tổng thể. Thứ hai, chiến lược kết tinh muối đòi hỏi phải loại bỏ thường xuyên các tinh thể muối, vốn khó tự động rơi ra khỏi bề mặt máy bay hơi do độ bám dính mạnh của chúng. Nếu muối lắng đọng không được loại bỏ kịp thời, hiệu suất bay hơi chắc chắn sẽ giảm. Ngoài ra, nhiều máy bay hơi năng lượng mặt trời hiệu suất cao đòi hỏi các quy trình chuẩn bị nguy hiểm hoặc tốn thời gian, chẳng hạn như xử lý nhiệt áp suất cao, chân không thấp hoặc nhiệt độ cao.
Do đó, việc phát triển một thiết bị bay hơi năng lượng mặt trời bền bỉ để đạt được quá trình bốc hơi nước và thu thập muối hiệu quả, ổn định và lâu dài thông qua quy trình chuẩn bị đơn giản để khử muối không thải chất lỏng là một mục tiêu khoa học chưa đạt được.
Dựa trên những thách thức trên, nhóm nghiên cứu của Đại học Y khoa Sơn Đông đã chế tạo một máy bay hơi khí gel xoắn graphene ba chiều có thể đạt được hiệu quả bốc hơi năng lượng mặt trời đối với nước muối có nồng độ cao và đạt được mục tiêu không xả chất lỏng.
Để đáp ứng các yêu cầu nghiêm ngặt của thiết bị bay hơi năng lượng mặt trời về khả năng hấp thụ năng lượng mặt trời hiệu quả, sử dụng năng lượng đầy đủ, khả năng chống muối tuyệt vời và độ ổn định lâu dài, thiết kế dự án chủ yếu tập trung vào bốn điểm chính sau:
Tập trung vào thiết kế cấu trúc và tăng cường độ ổn định hóa học
Thiết bị bay hơi cần có cấu trúc mạng lưới bền vững và độ ổn định hóa học cao, điều này rất quan trọng để đạt được hiệu quả và ổn định lâu dài trong quá trình khử muối bằng năng lượng mặt trời. Do đó, họ đã chọn vật liệu xốp melamine giá rẻ, siêu ưa nước, có độ xốp cao và độ đàn hồi cao làm khung đỡ cho thiết bị bay hơi năng lượng mặt trời.
Sau đó, họ nghiên cứu các tính chất cơ học của khí gel graphene với bọt melamine làm bộ khung ở nhiều chế độ, bao gồm nén, uốn và kéo, để đánh giá toàn diện các tính chất cơ học của chúng.
Để xác minh thêm độ bền và chắc chắn của sản phẩm trong điều kiện ứng dụng thực tế, nhóm nghiên cứu đã tiến hành thử nghiệm trong nhiều điều kiện khắc nghiệt khác nhau.
Cụ thể, họ đã uốn cong mẫu vật 20 lần liên tục trong không khí và nước, ngâm mẫu vật trong dung dịch axit và kiềm , và đặt mẫu vật trong môi trường khắc nghiệt như nhiệt độ cao và khuấy siêu âm.
Sau những thử nghiệm nghiêm ngặt này, họ không tìm thấy bất kỳ thay đổi đáng kể nào về hình dáng và cấu trúc vi mô của mẫu, điều này chứng minh đầy đủ độ bền và tính ổn định tuyệt vời của cấu trúc.
Tập trung vào việc đơn giản hóa và cải thiện kinh tế các quy trình sản xuất
Để đạt được sự đơn giản và tiết kiệm trong quá trình sản xuất máy bay hơi và tránh sử dụng các thiết bị đắt tiền, họ đã thiết kế các bước chuẩn bị sau:
Bước đầu tiên là ép nóng
Sử dụng công nghệ ép nóng, nhóm nghiên cứu đã nén các tấm xốp melamine có độ dày khác nhau để thu được màng melamine ép sẵn có độ dày 1mm.
Trong quá trình này, khi tỷ lệ giữa độ dày ban đầu của mẫu và độ dày sau khi nén tăng lên, kích thước lỗ xốp của màng melamine được ép sơ bộ được điều chỉnh một cách tinh tế từ 150 μm xuống 20 μm , tạo thành cấu trúc mạng lưới gradient ba chiều độc đáo.
Bước thứ hai là phun bề mặt
Sử dụng bình xịt để phun đều dung dịch huyền phù oxit graphene lên bề mặt màng melamine đã được ép sẵn . Việc phân bố đồng đều oxit graphene trong màng đã đạt được, tạo nền tảng cho quá trình khử bằng năng lượng mặt trời tiếp theo.
Bước thứ ba là sấy khô ở áp suất khí quyển
Sau khi phun, họ đặt màng phim trực tiếp vào không khí để sấy khô tự nhiên. Bước này tránh được các quy trình chuẩn bị phức tạp, tốn thời gian và năng lượng như sấy đông lạnh, sấy siêu tới hạn và thay thế dung môi.
Bước thứ tư là giảm ánh sáng mặt trời
Tức là dùng kính lúp để tập trung ánh sáng mặt trời vào mẫu. Dưới tác động của tia cực tím, màu sắc bề mặt mẫu nhanh chóng chuyển từ nâu sang đen, chứng tỏ oxit graphene đã được khử thành oxit graphene khử.
Phương pháp khử bằng năng lượng mặt trời này không chỉ dễ vận hành và thân thiện với môi trường mà còn không yêu cầu sử dụng chất khử hóa học hoặc quy trình khử nhiệt độ cao, giúp giảm đáng kể chi phí sản xuất và ô nhiễm môi trường.
Tập trung vào việc hấp thụ năng lượng mặt trời hiệu quả và giảm thiểu thất thoát năng lượng
Máy bốc hơi năng lượng mặt trời không chỉ phải hấp thụ và chuyển đổi một phạm vi rộng năng lượng mặt trời thành năng lượng nhiệt mà còn phải giảm thiểu tổn thất năng lượng do phản xạ khuếch tán và bức xạ nhiệt, đồng thời thu được năng lượng bổ sung từ môi trường. Quá trình bốc hơi tại giao diện mặt trời được kiểm soát bởi ba luồng năng lượng: năng lượng mặt trời đầu vào, năng lượng bốc hơi đầu ra và năng lượng tiêu tán ra môi trường.
Thật không may, các thiết bị bốc hơi năng lượng mặt trời hai chiều thông thường phải đối mặt với các vấn đề tiêu tán năng lượng do trao đổi nhiệt với môi trường xung quanh, khiến việc đạt được hiệu suất chuyển đổi năng lượng mặt trời sang hơi nước lý tưởng 100% trở nên khó khăn. Ngược lại, các thiết bị bốc hơi năng lượng mặt trời ba chiều có thể phá vỡ giới hạn lý thuyết về hiệu suất chuyển đổi năng lượng mặt trời sang hơi nước.
Để giảm thiểu tổn thất năng lượng do phản xạ khuếch tán và bức xạ nhiệt trên bề mặt trên của mẫu ba chiều, nhóm nghiên cứu đã thiết kế một khí gel graphene lõm xoắn ba chiều.
Cấu trúc này không chỉ có khả năng hấp thụ cao hơn và phản xạ thấp hơn mà các bức tường bên của nó còn có khả năng hấp thụ nhiệt xung quanh và nhiệt phản xạ khuếch tán từ phía dưới, do đó cho phép thu hồi năng lượng hiệu quả.
Tập trung vào tối ưu hóa khả năng chịu muối và quản lý kết tinh muối
Tức là; bằng cách thiết kế một kênh vận chuyển độc đáo, việc vận chuyển xuyên tâm của nước muối được thúc đẩy, dẫn đến sự kết tinh định hướng của muối. Thiết kế này không chỉ ngăn chặn hiệu quả muối lắng đọng và tắc nghẽn trên bề mặt máy bay hơi mà còn thực hiện việc thu thập và sử dụng muối hiệu quả, do đó cải thiện đáng kể hiệu quả và tính bền vững của quá trình khử muối.
Cụ thể, họ đã thiết kế và chế tạo một cấu trúc mạng graphene gradient ba chiều dựa trên màng xốp melamine được ép trước . Mạng graphene gradient này, thưa ở bên trong và dày đặc ở bên ngoài, có thể tạo ra sự chênh lệch lực mao dẫn xuyên tâm, thúc đẩy sự vận chuyển nước muối theo hướng xuyên tâm. Khi hơi nước tiếp tục được tạo ra, dòng chảy xuyên tâm của nước muối làm tăng nồng độ nước muối ở khu vực bề mặt ngoài, khiến muối kết tinh theo hướng nhất định trên bề mặt ngoài thay vì bề mặt trong. Thiết kế này đảm bảo bề mặt bên trong của thiết bị bay hơi duy trì diện tích bay hơi đủ lớn, từ đó đạt được hiệu quả và sự ổn định của quá trình bay hơi bằng năng lượng mặt trời.
Điều đáng nói là máy bay hơi sử dụng toàn bộ bề mặt ngoài của nó để kết tinh muối, làm cho diện tích kết tinh lớn hơn nhiều so với các máy bay hơi kết tinh định hướng khác.
Tinh thể muối chủ yếu bao gồm các tinh thể muối lỏng lẻo với nhiều lỗ rỗng, có lợi cho việc vận chuyển nước muối và giải phóng hơi nước.
Hơn nữa, do hiệu ứng làm mát bay hơi, nhiệt độ bề mặt của lớp muối thấp hơn nhiệt độ môi trường. Đặc điểm này cho phép máy bay hơi hấp thụ nhiều năng lượng hơn từ môi trường, cải thiện hiệu suất bay hơi hơn nữa.
Nguồn bài viết: Deep Tech
Nhóm nghiên cứu: Nhóm nghiên cứu của Đại học Y khoa Sơn Đông đầu tiên
Bài viết được trích dẫn từ: https://www.163.com/dy/article/J1RENDEH05119734.html
Để biết thêm thông tin về mút xốp melamine SINOYQX, vui lòng liên hệ với chúng tôi qua email [email protected] hoặc gọi điện đến số: +86-28-8411-1861.
Một số hình ảnh và văn bản được sao chép từ Internet và bản quyền thuộc về tác giả gốc. Nếu có bất kỳ vi phạm nào, vui lòng liên hệ với chúng tôi để xóa.