Là một cách bền vững để sử dụng tài nguyên nước, khử muối bằng năng lượng mặt trời có tiềm năng lớn trong việc giải quyết vấn đề thiếu hụt tài nguyên nước ngọt và giảm bớt tình trạng thiếu nước. Tuy nhiên, công nghệ khử muối nước biển truyền thống thường có những vấn đề như tiêu thụ năng lượng cao, thiết bị phức tạp và chi phí cao.
Trong những năm gần đây, các công nghệ phủ khử muối mới dựa trên vật liệu nano đã dần thu hút sự chú ý của các nhà nghiên cứu. Graphene oxide khử graphene, như một vật liệu hai chiều mới, đã cho thấy tiềm năng đáng kể trong khử muối bằng năng lượng mặt trời.
So với vật liệu phủ khử muối truyền thống, rGO có ưu điểm là độ dẫn điện tuyệt vời, diện tích bề mặt riêng cao và độ ổn định hóa học tốt, dự kiến sẽ cải thiện hiệu quả khử muối và giảm mức tiêu thụ năng lượng.
Tuy nhiên, bản thân rGO lại có vấn đề về sự kết tụ và lắng đọng, làm giảm hoạt tính và độ ổn định của nó. Do đó, việc cố định rGO lên vật liệu xốp để tạo thành lớp phủ composite xốp melamine /rGO đã trở thành một phương pháp hiệu quả để cải thiện hiệu quả và độ ổn định của quá trình khử muối.
Bằng cách cải tiến bề mặt và tăng cường các đặc tính mang của vật liệu bọt, chúng tôi cố định rGO đồng đều trên bề mặt bọt để tăng diện tích tiếp xúc của nó với các ion muối trong nước. Đồng thời, cấu trúc và độ dày của lớp phủ rGO được kiểm soát để tối ưu hóa hiệu quả khử muối và độ ổn định.
Để hiểu sâu hơn về cơ chế khử muối, chúng tôi cũng đã chuẩn bị bọt oxit graphene khử (rGO). Bọt melamin phủ graphene trioxide có cấu trúc vi mô xốp và tính ưa nước vốn có, cho phép nó có khả năng thấm ướt tốt và có thể thu hút nước vào vùng bốc hơi, cho phép bổ sung nước nhanh chóng đồng thời tránh kết tủa muối.
Hệ thống bốc hơi giao diện của bọt melamin phủ oxit graphene có thể đạt hiệu suất bốc hơi trạng thái ổn định là 89.6% dưới nhiên liệu mặt trời 1kW m−2. Hệ thống bốc hơi giao diện này có hiệu suất chuyển đổi năng lượng mặt trời thành nhiệt cao và độ ổn định lâu dài tốt, cho thấy tiềm năng khử muối nước biển thương mại.
Hiện nay, khủng hoảng năng lượng toàn cầu và tình trạng thiếu nước đã trở thành mối đe dọa lớn đối với sự phát triển bền vững của xã hội loài người. Để đáp ứng nhu cầu năng lượng ngày càng tăng, việc phát triển các công nghệ chuyển đổi năng lượng và lọc nước hiệu suất cao khác nhau đã nhận được sự quan tâm ngày càng tăng.
Công nghệ bốc hơi giao diện năng lượng mặt trời
Là một nguồn năng lượng tái tạo đầy hứa hẹn, năng lượng mặt trời có công suất cực lớn, tính phổ biến, sạch sẽ và khả năng chuyển đổi đa chức năng. Nó đã cho thấy tiềm năng thay thế nhiên liệu hóa thạch được nhiên liệu hóa thạch giữ lại.
Ngoài công nghệ quang điện mặt trời tạo ra điện trực tiếp, công nghệ chuyển đổi năng lượng mặt trời thành nhiệt còn hấp thụ năng lượng mặt trời và chuyển hóa thành năng lượng nhiệt, được coi là cách sử dụng năng lượng mặt trời đơn giản và hiệu quả.
Năng lượng nhiệt chuyển đổi từ năng lượng mặt trời có thể thúc đẩy các quy trình công nghiệp quan trọng như nhà máy điện nhiệt mặt trời, khử muối mặt trời, khử trùng, hệ thống sưởi ấm nước mặt trời và các ứng dụng liên quan đến nhiệt khác. Khử muối mặt trời cung cấp một giải pháp hiệu quả, đặc biệt là đối với các khu vực thiếu cơ sở hạ tầng, vì nó có thể chiết xuất nước ngọt từ nước biển mà không cần thêm năng lượng đầu vào.
Trong những năm gần đây, công nghệ bốc hơi giao diện năng lượng mặt trời định vị quá trình chuyển đổi nhiệt mặt trời tại giao diện lỏng-hơi và đã trở thành công nghệ sử dụng năng lượng mặt trời mới. So với hệ thống sưởi ấm tích hợp truyền thống, hệ thống bốc hơi giao diện thể hiện hiệu suất bốc hơi cao hơn và phản ứng nhiệt nhanh hơn và là một giải pháp thay thế tiềm năng cho quá trình khử muối nước biển.
Cho đến nay, nhiều nghiên cứu đã được thực hiện để cải thiện hiệu suất nhiệt của các hệ thống bốc hơi giao diện. Một hệ thống bốc hơi giao diện năng lượng mặt trời điển hình bao gồm ba phần quan trọng:
Bộ hấp thụ năng lượng mặt trời có khả năng hấp thụ năng lượng mặt trời cao và chuyển đổi hiệu quả bức xạ mặt trời thành năng lượng nhiệt; bộ cách nhiệt truyền nhiệt đã chuyển đổi sang khối nước; và đường dẫn cung cấp nước liên tục kéo nước từ khối nước lên bề mặt bộ hấp thụ năng lượng mặt trời.
Trong các nghiên cứu trước đây, rất nhiều nhà nghiên cứu đã tập trung vào việc cải thiện hiệu suất chuyển đổi năng lượng mặt trời thành hơi nước bằng cách tổng hợp các vật liệu hấp thụ năng lượng mặt trời băng thông rộng, tối ưu hóa thiết kế các đường dẫn cấp nước mới và cải thiện cấu trúc cách nhiệt.
Cho đến nay, các hệ thống bốc hơi giao diện năng lượng mặt trời đã được sử dụng trong nhiều quy trình công nghiệp, chưng cất năng lượng mặt trời cảm ứng, khử trùng năng lượng mặt trời, khử muối năng lượng mặt trời và phát điện năng lượng mặt trời. Để đạt được hiệu suất bốc hơi cao của hệ thống, điều quan trọng là phải khám phá sự hấp thụ băng thông rộng trên toàn bộ quang phổ mặt trời của vật liệu hấp thụ năng lượng mặt trời.
Các vật liệu hấp thụ năng lượng mặt trời được phát triển và khám phá trong các hệ thống bốc hơi giao diện năng lượng mặt trời chủ yếu bao gồm vật liệu cacbon, hạt plasmonic và vật liệu hấp thụ chọn lọc quang phổ. Trong số đó, vật liệu đen tự nhiên và cacbon có khả năng chuyển đổi nhiệt mặt trời mạnh và phù hợp với các bộ hấp thụ năng lượng mặt trời băng thông rộng và cường độ cao.
Do tỷ lệ hấp thụ năng lượng mặt trời cao, chi phí thấp và độ ổn định tốt, nhiều chất hấp thụ năng lượng mặt trời gốc carbon đã được nghiên cứu, bao gồm ống nano carbon, than chì và oxit graphene khử. Sau nhiều năm phát triển, hiệu suất chuyển đổi năng lượng mặt trời thành hơi nước của hệ thống dưới ánh sáng ban ngày đã đạt hơn 90%.
Mặc dù đã có những cải tiến lớn trong việc phát triển vật liệu hấp thụ năng lượng mặt trời và thiết kế các cấu trúc bốc hơi giao diện, hầu hết các thiết bị khử muối bằng năng lượng mặt trời được báo cáo trước đây đều là do sự tích tụ muối trên bề mặt trên cùng của thiết bị bay hơi trong quá trình khử muối. Muối tích tụ sẽ chặn sự hấp thụ năng lượng mặt trời và chặn thiết bị bay hơi xốp, dẫn đến hiệu suất chuyển đổi năng lượng mặt trời thành nhiệt thấp và hiệu suất bốc hơi kém.
Các phương pháp vật lý truyền thống như sóng siêu âm và ngâm nước thường được sử dụng để loại bỏ muối tích tụ, nhưng những phương pháp này có thể dễ dàng gây hư hỏng cho cấu trúc bay hơi của giao diện.
Để giảm sự tích tụ muối trong các hệ thống bốc hơi giao diện, nhiều nghiên cứu đã tập trung vào việc phát triển quá trình bốc hơi kỵ nước. Tuy nhiên, các thiết bị bốc hơi kỵ nước hạn chế nguồn cung cấp nước cho bề mặt trên cùng, do đó làm giảm hiệu suất bốc hơi của hệ thống. Một cách khác để giải quyết vấn đề này là sử dụng thiết bị bốc hơi ưa nước, giúp di chuyển lượng muối dư thừa từ bề mặt trên cùng vào khối nước.
Cho đến nay, nhiều nghiên cứu đã tập trung vào việc thiết kế các thiết bị bay hơi ưa nước, chẳng hạn như màng vải cellulose ưa nước, màng ưa nước làm từ giấy và thiết bị bay hơi lấy cảm hứng từ sinh học. Nhưng việc phát triển một hệ thống bay hơi giao diện năng lượng mặt trời ổn định lâu dài và hiệu quả cao vẫn là một thách thức đáng kể.
Trong nghiên cứu này, chúng tôi trình bày một loại bọt graphene oxide (rGO) khử có khả năng chống muối, hấp thụ năng lượng mặt trời hiệu quả cao và phản ứng nhiệt nhanh để khử muối giao diện bằng năng lượng mặt trời dưới ánh sáng mặt trời huỳnh quang thấp.
Trong cấu trúc xốp mới, bọt melamine ưa nước (MF) được chọn làm chất nền, không chỉ mở rộng diện tích bề mặt để hấp thụ năng lượng mặt trời mà còn tăng cường tán xạ đa chiều.
Tính ưa nước và độ xốp bề mặt của bọt melamin phủ oxit graphene khử cung cấp đủ độ ẩm và độ kết dính cho vùng chuyển đổi nhiệt mặt trời, cũng như bổ sung nước nhanh chóng, đồng thời tránh tích tụ muối.
Tận dụng hiệu suất cao của bọt melamin phủ oxit graphene khử, hệ thống giao diện sử dụng năng lượng mặt trời có khả năng chuyển đổi năng lượng mặt trời thành hơi nước là 89.6%.
Hơn nữa, bằng cách tích hợp bọt melamin phủ oxit graphene khử vào năng lượng mặt trời thương mại, chúng tôi đã thiết kế và chế tạo một thiết bị khử muối nước biển giao diện năng lượng mặt trời với hiệu suất chuyển đổi năng lượng mặt trời thành nước là 56.4% dưới ánh sáng ban ngày. Nhờ khử muối bằng năng lượng mặt trời, nước sạch thu được đạt yêu cầu về chất lượng có thể uống được.
Với hiệu suất bay hơi vượt trội và khả năng mở rộng của vật liệu chuyển đổi từ năng lượng mặt trời sang nhiệt, hệ thống khử muối nước biển giao diện năng lượng mặt trời này có triển vọng ứng dụng rộng rãi trong các ứng dụng thực tế của quá trình khử muối nước biển.
Khả năng mở rộng của vật liệu truyền nhiệt khử muối bằng năng lượng mặt trời
Hệ thống bốc hơi giao diện dựa trên bọt melamin phủ oxit graphene khử. Bọt melamin phủ oxit graphene ter nằm ở giữa và được bọc bằng một lớp bọt polyethylene (PE) ở bên ngoài để tạo thành hệ thống bốc hơi giao diện tự bong bóng.
Bọt melamin phủ oxit graphene khử tellurium được sử dụng để hấp thụ nhanh bức xạ mặt trời chiếu tới, chuyển đổi năng lượng mặt trời thành nhiệt và tạo ra lực đẩy cho quá trình bốc hơi giao diện. Mặt khác, bọt melamin phủ oxit graphene khử ưa nước có thể liên tục hút nước muối vào vùng bốc hơi.
Cấu trúc xốp của bọt melamin phủ graphene trioxide cho phép hơi nước sinh ra thoát ra môi trường, thúc đẩy quá trình thu giữ ánh sáng mặt trời và do đó tăng hiệu quả chuyển đổi năng lượng mặt trời thành nhiệt. Bọt melamin phủ graphene oxide khử có cấu trúc xốp và ưa nước, cho phép nó hút nước vào cấu trúc bốc hơi được mô tả ở trên đồng thời phân hủy muối cô đặc trở lại nước biển.
Trong quá trình bay hơi, nồng độ muối ở lớp bọt cao hơn nồng độ muối trong nước biển ở đáy. Sự thay đổi nồng độ này khiến muối phân hủy và hòa tan vào nước. Ngoài ra, lớp bọt polyetylen bao quanh không chỉ làm giảm lượng bọt melamine phủ oxit graphene mà còn tự nhiên nổi trên mặt nước, ngăn ngừa sự mất nhiệt do nước mặn xung quanh gây ra.
Hệ thống bốc hơi giao diện có thể hoạt động liên tục và hiệu quả trên bề mặt nước mà không cần thiết kế kết cấu phức tạp. Hơn nữa, vì bốc hơi xảy ra ở giao diện khí-lỏng, hệ thống bốc hơi giao diện có thể di chuyển tự động khi giao diện rút lui.
Bọt melamin phủ graphene oxide khử tellurium là thành phần chính của hệ thống bốc hơi giao diện. Bọt melamin được ngâm trong hỗn dịch keo graphene oxide để tạo bọt melamin phủ graphene oxide khử, sau đó graphene oxide được khử thành graphamine oxide khử bằng phương pháp thủy nhiệt.
Bọt melamin phủ oxit graphene khử có đường kính 3.5 cm và dày 1.6 cm, dễ chế tạo và có màu đen sẫm.
Độ nhám bề mặt của vật liệu bọt melamin phủ oxit graphene khử được quan sát bằng kính hiển vi quang học ba chiều cho thấy độ biến thiên chiều cao hơn 300 μm. Cấu trúc bề mặt nhám của vật liệu composite chuyển đổi nhiệt mặt trời chủ yếu là do cấu trúc xốp của bọt melamin, và oxit graphene khử biến tính cũng làm tăng độ nhám bề mặt.
Độ nhám bề mặt khuếch đại diện tích bề mặt hấp thụ năng lượng mặt trời đồng thời tăng sự tán xạ nhiều lần của ánh sáng mặt trời chiếu tới, do đó cải thiện hiệu suất chuyển đổi năng lượng mặt trời thành nhiệt của hệ thống. Cấu trúc vi mô của bọt melamin đã chuẩn bị ở các độ phóng đại khác nhau. Bề mặt bọt melamin phủ oxit graphene thể hiện cấu trúc mạng lưới nhăn nheo và liên kết với nhau.
Kích thước lỗ chân lông của bọt melamine phủ rGO nằm trong khoảng từ 20 đến 40 μm. Cấu trúc lỗ chân lông mở và bề mặt nhăn nheo tạo điều kiện cho việc lắng đọng graphene oxide. Bọt melamine phủ graphene oxide khử có khả năng thấm ướt nước tốt do tính ưa nước của bọt melamine xốp.
Khi một giọt nước chạm vào bề mặt của bọt melamin phủ oxit graphene khử, nó sẽ được hấp thụ hoàn toàn trong vòng 0.5 giây. Bề mặt ưa nước của vật liệu composite oxit graphene khử có thể nhanh chóng dẫn nước thoát ra bên trong cấu trúc xốp. Độ xốp của bọt melamin phủ oxit graphene khử được xác định bằng cách so sánh sự thay đổi khối lượng trước và sau khi hấp thụ nước.
Độ xốp của bọt melamin phủ oxit graphene có thể đạt tới 85.55%. Sự hấp thụ năng lượng mặt trời của bọt melamin phủ oxit graphene giảm ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất chuyển đổi năng lượng mặt trời thành nhiệt của hệ thống. Để đánh giá khả năng chống muối, bọt melamin phủ oxit graphene giảm được đặt trong dung dịch natri clorua (3.5 wt%).
Sau đó, 3 g natri clorua rắn được đặt trên bề mặt trên cùng và bọt melamin phủ Tergo được đặt ở mật độ năng lượng mặt trời là 1 kW m−2. Lượng muối rắn dần tan sau 120 phút.
Khi ánh sáng mặt trời chiếu vào bề mặt trên cùng của lớp xốp melamine phủ rGO , nhiệt độ của lớp xốp này tăng nhanh chóng trong vòng vài phút và duy trì ở mức 35°C trong suốt quá trình bay hơi. Vì độ hòa tan của muối phụ thuộc vào nhiệt độ, nên nhiệt độ càng cao, muối càng tan nhanh và do đó sắt trong muối có thể được hòa tan trở lại vào nước trên bề mặt.
Trong bọt melamin phủ oxit graphene khử, có nhiều lỗ rỗng có khả năng hấp thụ nước cao, có thể cung cấp nước liên tục cho bề mặt trên cùng, muối có thể di chuyển từ bề mặt trên cùng xuống lớp nước bên dưới. Nhiệt độ thay đổi dẫn đến sự thay đổi độ mặn giữa bề mặt bốc hơi phía trên và thân.
Để có được khả năng hấp thụ năng lượng mặt trời hiệu quả và băng thông rộng, bọt melamine đã được biến tính bằng bọt melamine ưa nước xốp, do đó làm tăng diện tích bề mặt hấp thụ năng lượng mặt trời và tăng khả năng tán xạ nhiều lần.
Hệ thống bốc hơi giao diện năng lượng mặt trời dựa trên bọt melamin phủ rGO cho thấy phản ứng nhiệt nhanh ở mật độ năng lượng mặt trời là 1 kW m−2, đạt hiệu suất chuyển đổi nhiệt mặt trời ở trạng thái ổn định là 89.6%.
Cuối cùng, chúng tôi đã tích hợp một thiết bị bay hơi bọt melamin phủ oxit graphene khử vào một máy chưng cất năng lượng mặt trời, có thể sản xuất 56.4% nước uống có tích tụ muối ở mức 1 kW m−2.
Chúng tôi hình dung rằng thiết bị khử muối giao diện sử dụng năng lượng mặt trời này có thể được sử dụng trên các đảo biệt lập hoặc trong đại dương để thu thập nước uống từ nguồn nước biển dồi dào hoặc các nguồn nước mặn khác.
Kết luận
Bọt melamin phủ rGO khử muối, là công nghệ khử muối bằng năng lượng mặt trời tiên tiến và hiệu quả, có tiềm năng và triển vọng ứng dụng lớn. Nó không chỉ có thể cung cấp nguồn nước ngọt đáng tin cậy cho các khu vực khan hiếm nước mà còn giảm sự phụ thuộc vào năng lượng truyền thống, giảm tiêu thụ năng lượng và ô nhiễm môi trường.
Kết quả nghiên cứu này sẽ đóng góp quan trọng vào việc giải quyết vấn đề thiếu hụt tài nguyên nước ngọt toàn cầu và thúc đẩy hiện thực hóa phát triển bền vững.
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.