วิธีการใช้โฟมเมลามีนในการเตรียมเครื่องระเหยแอโรเจลกราฟีนแบบไล่ระดับสำหรับการแยกเกลือออกจากน้ำเกลือที่มีความเข้มข้นสูง?

การระเหยที่ผิวสัมผัสโดยใช้พลังงานแสงอาทิตย์ (Solar-driven interfacial evaporation: SIE) ถือเป็นหนึ่งในเทคโนโลยีที่มีศักยภาพมากที่สุดในการบรรเทาปัญหาการขาดแคลนน้ำจืด เนื่องจากสามารถใช้พลังงานแสงอาทิตย์ได้อย่างมีประสิทธิภาพในการผลิตน้ำจืด นอกจากนี้เครื่องระเหยพลังงานแสงอาทิตย์ยังมีข้อดีเฉพาะตัวในการบำบัดน้ำเสียที่มีเกลือเข้มข้นกระบวนการระเหยจะผลิตเพียงผลึกเกลือเป็นผลพลอยได้ จึงไม่มีการปล่อยของเหลวออกมา อย่างไรก็ตาม การสะสมของเกลือในเครื่องระเหยจะขัดขวางการดูดซับแสงและส่งผลต่อการระเหยของไอน้ำ ซึ่งในที่สุดจะนำไปสู่การลดประสิทธิภาพการระเหยของเครื่องระเหยหรืออาจถึงขั้นล้มเหลวได้

เพื่อบรรเทาปัญหานี้ นักวิจัยบางคนได้เสนอแนวทาง "การหมุนเวียนของเกลือ" นั่นคือ ออกแบบเส้นทางการหมุนเวียนเพื่อให้สารละลายให้ไอออนของเกลือไหลกลับเข้าไปในน้ำเกลือ จึงป้องกันไม่ให้เกลือตกผลึกบนพื้นผิวการระเหย จึงทำให้การระเหยเกิดขึ้นอย่างต่อเนื่องและเสถียร อย่างไรก็ตาม วิธีนี้จะทำให้ความเค็มของสารละลายเพิ่มขึ้น และยังคงหลีกเลี่ยงปัญหาการตกผลึกของเกลือไม่ได้

วิธีแก้ปัญหาอีกวิธีหนึ่งคือกลยุทธ์ “การตกเกลือ” นั่นคือ การควบคุมโครงสร้างเพื่อให้เกลือตกผลึกในบริเวณที่ไม่เกิดการระเหยโดยเฉพาะ ซึ่งจะช่วยลดผลกระทบของการตกผลึกเกลือต่อประสิทธิภาพการระเหย ทำให้สามารถรวบรวมเกลือและน้ำจืดได้พร้อมกัน อย่างไรก็ตาม กลยุทธ์ “การตกเกลือ” ยังคงเผชิญกับความท้าทายที่สำคัญบางประการในการใช้งานจริง

ประการแรก การขนส่งน้ำเกลือแบบมิติเดียวจำกัดความสามารถในการดูดซับ ทำให้อัตราการระเหยโดยรวมลดลงอย่างมาก ประการที่สอง กลยุทธ์การตกผลึกเกลือต้องกำจัดผลึกเกลือออกเป็นประจำ ซึ่งเกลือจะหลุดออกจากพื้นผิวเครื่องระเหยได้ยากเนื่องจากมีการยึดเกาะที่แข็งแรง หากไม่กำจัดเกลือที่เกาะติดออกในเวลาที่กำหนด ประสิทธิภาพการระเหยจะลดลงอย่างหลีกเลี่ยงไม่ได้ นอกจากนี้ เครื่องระเหยพลังงานแสงอาทิตย์ประสิทธิภาพสูงหลายเครื่องยังต้องใช้กระบวนการเตรียมที่อันตรายหรือใช้เวลานาน เช่น การอบด้วยความร้อนแรงดันสูง สูญญากาศต่ำ หรืออุณหภูมิสูง

ดังนั้น การพัฒนาเครื่องระเหยพลังงานแสงอาทิตย์ที่ทนทานเพื่อให้การระเหยน้ำและการเก็บเกลือได้ในระยะยาว มีประสิทธิภาพ และเสถียร โดยผ่านกระบวนการเตรียมการอันเรียบง่ายสำหรับการแยกเกลือออกโดยไม่ปล่อยของเหลวออกเลย จึงเป็นเป้าหมายทางวิทยาศาสตร์ที่ยังไม่บรรลุ

จากความท้าทายดังกล่าว ทีมวิจัยของมหาวิทยาลัยการแพทย์แห่งแรกของซานตงได้เตรียมเครื่องระเหยแอโรเจลแบบเกลียวกราฟีนแบบสามมิติที่มีการไล่ระดับ ซึ่งสามารถทำให้เกิดการระเหยของน้ำเกลือที่มีความเข้มข้นสูงจากแสงอาทิตย์ได้อย่างมีประสิทธิภาพ และทำให้เกิดการระบายของเหลวเป็นศูนย์

เพื่อให้เป็นไปตามข้อกำหนดที่เข้มงวดของเครื่องระเหยพลังงานแสงอาทิตย์ในแง่ของการดูดซับพลังงานแสงอาทิตย์ที่มีประสิทธิภาพ การใช้พลังงานอย่างเต็มที่ ความต้านทานเกลือที่ยอดเยี่ยม และความเสถียรในระยะยาว การออกแบบโครงการจึงมุ่งเน้นไปที่ประเด็นสำคัญสี่ประการต่อไปนี้เป็นหลัก:

เน้นการออกแบบโครงสร้างและเพิ่มเสถียรภาพทางเคมี

เครื่องระเหยจำเป็นต้องมีโครงสร้างเครือข่ายที่แข็งแรงและเสถียรภาพทางเคมี ซึ่งเป็นสิ่งสำคัญอย่างยิ่งต่อการผลิตน้ำจืดจากพลังงานแสงอาทิตย์ที่มีประสิทธิภาพและเสถียรในระยะยาว ดังนั้น พวกเขาจึงเลือกใช้โฟมเมลามีนราคาถูก มีคุณสมบัติชอบน้ำสูง มีรูพรุนสูง และมีความยืดหยุ่นสูงเป็นโครงสร้างรองรับของเครื่องระเหยพลังงานแสงอาทิตย์

จากนั้นพวกเขาจึงศึกษาสมบัติเชิงกลของแอโรเจลกราฟีนโดยมีโฟมเมลามีนเป็นโครงกระดูกในโหมดต่างๆ มากมาย เช่น การบีบอัด การดัดงอ และการดึง เพื่อประเมินสมบัติเชิงกลอย่างครอบคลุม

เพื่อตรวจสอบความแข็งแกร่งและความทนทานภายใต้เงื่อนไขการใช้งานจริง ทีมวิจัยได้ทำการทดสอบภายใต้เงื่อนไขที่รุนแรงหลากหลายรูปแบบ

โดยเฉพาะอย่างยิ่งพวกเขาได้ดัดงอตัวอย่างซ้ำๆ 20 ครั้งในอากาศและในน้ำ แช่ในสารละลายกรดและด่างและวางไว้ในสภาพแวดล้อมที่รุนแรง เช่น อุณหภูมิสูงและการกวนด้วยคลื่นอัลตราโซนิก

หลังจากการทดสอบอันเข้มงวดเหล่านี้ พวกเขาพบว่าไม่มีการเปลี่ยนแปลงที่สำคัญใดๆ ในรูปลักษณ์และโครงสร้างจุลภาคของตัวอย่าง ซึ่งแสดงให้เห็นถึงความทนทานและเสถียรภาพทางโครงสร้างที่ยอดเยี่ยมได้อย่างเต็มที่

มุ่งเน้นการลดความซับซ้อนและปรับปรุงกระบวนการผลิตให้มีประสิทธิภาพทางเศรษฐกิจ

เพื่อให้เกิดความเรียบง่ายและประหยัดในกระบวนการผลิตเครื่องระเหย และหลีกเลี่ยงการใช้อุปกรณ์ราคาแพง พวกเขาจึงออกแบบขั้นตอนการเตรียมการดังต่อไปนี้:

ขั้นตอนแรกคือการกดร้อน

ทีมวิจัยใช้เทคโนโลยีการอัดร้อนเพื่ออัดโฟมเมลามีนที่มีความหนาต่างกันเพื่อให้ได้ฟิล์มเมลามีนที่ผ่านการอัดล่วงหน้าโดยมีความหนา 1 มม.

ในระหว่างกระบวนการนี้ เมื่ออัตราส่วนของความหนาเดิมของตัวอย่างต่อความหนาที่อัดแน่นขั้นสุดท้ายเพิ่มขึ้น ขนาดรูพรุนของฟิล์มเมลามีนก่อนการอัดจะถูกควบคุมอย่างละเอียดจาก150 ไมโครเมตรเป็น 20 ไมโครเมตรก่อให้เกิดโครงสร้างเครือข่ายไล่ระดับสามมิติที่เป็นเอกลักษณ์

ขั้นตอนที่ 2 คือการพ่นพื้นผิว

ใช้ขวดสเปรย์ฉีดสารแขวนลอยกราฟีนออกไซด์ให้ทั่วพื้นผิวของฟิล์มเมลามีนที่อัดไว้แล้วการกระจายตัวอย่างสม่ำเสมอของกราฟีนออกไซด์ในฟิล์มเกิดขึ้นแล้ว ซึ่งเป็นพื้นฐานสำหรับการลดด้วยพลังงานแสงอาทิตย์ในขั้นตอนต่อไป

ขั้นตอนที่สามคือการอบแห้งด้วยความดันบรรยากาศ

หลังจากฉีดพ่นแล้ว พวกเขาจะวางฟิล์มไว้ในอากาศโดยตรงเพื่อให้แห้งตามธรรมชาติ ขั้นตอนนี้ช่วยหลีกเลี่ยงกระบวนการเตรียมการที่ซับซ้อน ใช้เวลานาน และใช้พลังงาน เช่น การอบแห้งแบบแช่แข็ง การอบแห้งแบบเหนือวิกฤต และการทดแทนตัวทำละลาย

ขั้นตอนที่สี่คือการลดแสงแดด

นั่นคือการใช้แว่นขยายเพื่อโฟกัสแสงอาทิตย์ลงบนตัวอย่าง ภายใต้การกระทำของรังสีอัลตราไวโอเลต สีของพื้นผิวตัวอย่างจะเปลี่ยนจากสีน้ำตาลเป็นสีดำอย่างรวดเร็ว ซึ่งบ่งชี้ว่ากราฟีนออกไซด์ได้รับการรีดิวซ์เป็นกราฟีนออกไซด์ที่รีดิวซ์สำเร็จแล้ว

วิธีการลดการใช้พลังงานแสงอาทิตย์นี้ไม่เพียงแต่ใช้งานง่ายและเป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมเท่านั้น แต่ยังไม่จำเป็นต้องใช้สารลดสารเคมีหรือกระบวนการลดความร้อนที่อุณหภูมิสูงอีกด้วย จึงช่วยลดต้นทุนการผลิตและมลพิษต่อสิ่งแวดล้อมได้อย่างมาก

มุ่งเน้นการดูดซับพลังงานแสงอาทิตย์อย่างมีประสิทธิภาพและลดการสูญเสียพลังงานให้เหลือน้อยที่สุด

เครื่องระเหยพลังงานแสงอาทิตย์ไม่เพียงแต่ต้องดูดซับและแปลงพลังงานแสงอาทิตย์ในวงกว้างเป็นพลังงานความร้อนเท่านั้น แต่ยังต้องลดการสูญเสียพลังงานที่เกิดจากการสะท้อนแบบกระจายและรังสีความร้อน และดักจับพลังงานเพิ่มเติมจากสิ่งแวดล้อมด้วย กระบวนการระเหยที่อินเทอร์เฟซของพลังงานแสงอาทิตย์นั้นควบคุมโดยฟลักซ์พลังงานสามประเภท ได้แก่ พลังงานที่รับจากพลังงานแสงอาทิตย์ พลังงานที่ระเหยออกมา และพลังงานที่กระจายไปสู่สิ่งแวดล้อม

น่าเสียดายที่เครื่องระเหยพลังงานแสงอาทิตย์แบบสองมิติทั่วไปต้องเผชิญกับปัญหาการสูญเสียพลังงานเนื่องจากการแลกเปลี่ยนความร้อนกับสิ่งแวดล้อมโดยรอบ ทำให้ยากต่อการบรรลุประสิทธิภาพการแปลงพลังงานแสงอาทิตย์เป็นไอน้ำ 100% ที่เหมาะสม ในทางกลับกัน เครื่องระเหยพลังงานแสงอาทิตย์แบบสามมิติสามารถทำลายขีดจำกัดทางทฤษฎีของประสิทธิภาพการแปลงพลังงานแสงอาทิตย์เป็นไอน้ำได้

เพื่อลดการสูญเสียพลังงานที่เกิดจากการสะท้อนแบบกระจายและการแผ่รังสีความร้อนบนพื้นผิวด้านบนของตัวอย่างสามมิติ ทีมงานจึงได้ออกแบบแอโรเจลกราฟีนแบบเกลียวเว้าสามมิติ

โครงสร้างนี้ไม่เพียงแต่มีการดูดซับที่สูงขึ้นและการสะท้อนแสงที่ต่ำลงเท่านั้น แต่ผนังด้านข้างยังสามารถดูดซับความร้อนโดยรอบและความร้อนที่สะท้อนแบบกระจายจากด้านล่างได้อีกด้วย จึงทำให้สามารถกู้คืนพลังงานได้อย่างมีประสิทธิภาพ

มุ่งเน้นการปรับปรุงความทนทานต่อเกลือและการจัดการการตกผลึกของเกลือ

นั่นคือ การออกแบบช่องทางการขนส่งเฉพาะตัวจะช่วยส่งเสริมการขนส่งน้ำเกลือในแนวรัศมี ซึ่งนำไปสู่การตกผลึกของเกลือแบบมีทิศทาง การออกแบบนี้ไม่เพียงแต่ป้องกันไม่ให้เกลือเกาะและอุดตันบนพื้นผิวของเครื่องระเหยได้อย่างมีประสิทธิภาพเท่านั้น แต่ยังทำให้สามารถรวบรวมและใช้ประโยชน์จากเกลือได้อย่างมีประสิทธิภาพอีกด้วย จึงช่วยปรับปรุงประสิทธิภาพและความยั่งยืนของกระบวนการแยกเกลือได้อย่างมาก

โดยเฉพาะอย่างยิ่ง พวกเขาได้ออกแบบและเตรียมโครงสร้างเครือข่ายกราฟีนแบบไล่ระดับสามมิติบนพื้นฐานของฟิล์มเมลามีนพรุน ที่อัดไว้ ล่วงหน้า เครือข่ายกราฟีนแบบไล่ระดับนี้ ซึ่งมีความหนาแน่นน้อยด้านในและหนาแน่นมากด้านนอก สามารถสร้างความแตกต่างของแรงดึงดูดของเหลวในแนวรัศมี ซึ่งส่งเสริมการขนส่งน้ำเกลือในแนวรัศมี เมื่อไอน้ำถูกสร้างขึ้นอย่างต่อเนื่อง การไหลของน้ำเกลือในแนวรัศมีจะเพิ่มความเข้มข้นของน้ำเกลือในบริเวณผิวด้านนอก ทำให้เกลือตกผลึกในทิศทางที่กำหนดบนผิวด้านนอกแทนที่จะเป็นผิวด้านใน การออกแบบนี้ทำให้มั่นใจได้ว่าผิวด้านในของเครื่องระเหยจะมีพื้นที่การระเหยเพียงพอ จึงทำให้การระเหยด้วยพลังงานแสงอาทิตย์มีประสิทธิภาพและเสถียร

เป็นที่น่าสังเกตว่าเครื่องระเหยใช้พื้นผิวภายนอกทั้งหมดสำหรับการตกผลึกของเกลือ ทำให้พื้นที่การตกผลึกมีขนาดใหญ่กว่าเครื่องระเหยการตกผลึกแบบมีทิศทางอื่นมาก

ผลึกเกลือส่วนใหญ่ประกอบด้วยผลึกเกลือที่อัดแน่นอย่างหลวมๆ พร้อมรูพรุนจำนวนมาก ซึ่งเป็นประโยชน์ต่อการขนส่งน้ำเกลือและการปล่อยไอน้ำ

นอกจากนี้ เนื่องจากเอฟเฟกต์การระบายความร้อนด้วยการระเหย อุณหภูมิพื้นผิวของชั้นเกลือจึงต่ำกว่าอุณหภูมิแวดล้อม คุณลักษณะนี้ทำให้เครื่องระเหยสามารถดูดซับพลังงานจากสิ่งแวดล้อมได้มากขึ้น จึงช่วยปรับปรุงประสิทธิภาพการระเหยให้ดียิ่งขึ้น

ที่มาบทความ : Deep Tech

กลุ่มวิจัย: กลุ่มวิจัยทีมมหาวิทยาลัยการแพทย์แห่งแรกซานตง

บทความนี้อ้างอิงจาก: https://www.163.com/dy/article/J1RENDEH05119734.html

หากต้องการข้อมูลเพิ่มเติมเกี่ยวกับโฟมเมลามีน SINOYQX โปรดติดต่อเราได้ที่[email protected]หรือโทรหาเราที่: +86-28-8411-1861

รูปภาพและข้อความบางส่วนนำมาจากอินเทอร์เน็ต และลิขสิทธิ์เป็นของผู้เขียนต้นฉบับ หากพบการละเมิดลิขสิทธิ์ กรุณาติดต่อเราเพื่อลบทิ้ง