Penguapan antarmuka bertenaga surya (SIE) dianggap sebagai salah satu teknologi paling menjanjikan untuk mengatasi kekurangan air tawar karena kemampuannya untuk secara efisien menggunakan energi matahari untuk menghasilkan air tawar. Selain itu, evaporator surya memiliki keunggulan unik dalam mengolah air limbah garam pekat . Proses penguapan hanya menghasilkan kristal garam sebagai produk sampingan, sehingga mencapai nol pembuangan cairan. Namun, akumulasi garam di dalam evaporator akan menghambat penyerapan cahaya dan memengaruhi keluarnya uap, yang pada akhirnya menyebabkan penurunan kinerja penguapan evaporator atau bahkan kegagalan.
Untuk mengatasi masalah ini, beberapa peneliti telah mengusulkan strategi "sirkulasi garam". Yaitu, jalur sirkulasi dirancang untuk larutan agar ion garam dapat mengalir kembali ke dalam air garam, sehingga mencegah garam mengkristal pada permukaan penguapan, sehingga mencapai penguapan yang berkelanjutan dan stabil. Namun, metode ini akan menyebabkan salinitas larutan meningkat, dan masalah kristalisasi garam tetap tidak dapat dihindari.
Solusi lainnya adalah strategi “salting out”. Yaitu, struktur diatur sedemikian rupa sehingga garam lebih disukai mengkristal di area yang tidak mengalami penguapan, sehingga mengurangi dampak kristalisasi garam pada kinerja penguapan, sehingga tercapai pengumpulan garam dan air tawar secara bersamaan. Namun, strategi “salting out” masih menghadapi beberapa tantangan berat dalam penerapan praktis.
Pertama, transportasi air garam satu dimensi membatasi kapasitas penyerapan, sehingga secara signifikan mengurangi laju penguapan secara keseluruhan. Kedua, strategi kristalisasi garam memerlukan pembuangan kristal garam secara teratur, yang sulit untuk jatuh secara otomatis dari permukaan evaporator karena daya rekatnya yang kuat. Jika garam yang mengendap tidak dibuang tepat waktu, kinerja penguapan pasti akan berkurang. Selain itu, banyak evaporator surya efisiensi tinggi memerlukan proses persiapan yang berbahaya atau memakan waktu, seperti perlakuan panas bertekanan tinggi, vakum rendah, atau suhu tinggi.
Oleh karena itu, mengembangkan evaporator surya yang tahan lama untuk mencapai penguapan air dan pengumpulan garam yang efisien, stabil, dan berjangka panjang melalui proses persiapan sederhana untuk desalinasi tanpa pembuangan cairan merupakan tujuan ilmiah yang belum tercapai.
Berdasarkan tantangan di atas, tim peneliti Universitas Kedokteran Pertama Shandong menyiapkan evaporator spiral aerogel gradien grafena tiga dimensi, yang dapat mencapai penguapan matahari yang efisien terhadap air garam berkonsentrasi tinggi dan mencapai nol pembuangan cairan.
Untuk memenuhi persyaratan ketat evaporator surya dalam hal penyerapan surya yang efisien, pemanfaatan energi penuh, ketahanan garam yang sangat baik, dan stabilitas jangka panjang, desain proyek terutama berfokus pada empat poin utama berikut:
Fokus pada desain struktural dan peningkatan stabilitas kimia
Evaporator tersebut perlu memiliki struktur jaringan yang kuat dan stabilitas kimia, yang sangat penting untuk mencapai desalinasi surya jangka panjang, efisien, dan stabil. Oleh karena itu, mereka memilih busa melamin berbiaya rendah, super-hidrofilik, berporositas tinggi, dan berdaya tahan tinggi sebagai kerangka pendukung evaporator surya.
Mereka kemudian mempelajari sifat mekanik aerogel grafena dengan busa melamin sebagai rangka dalam berbagai mode, termasuk kompresi, pembengkokan, dan ketegangan, untuk mengevaluasi sifat mekaniknya secara komprehensif.
Untuk memverifikasi lebih lanjut kekokohan dan daya tahannya dalam kondisi penerapan sebenarnya, tim peneliti melakukan pengujian dalam berbagai kondisi ekstrem.
Secara spesifik, mereka berulang kali menekuk sampel sebanyak 20 kali di udara dan air, merendamnya dalam larutan asam dan basa , serta menempatkannya di lingkungan yang keras seperti suhu tinggi dan pengadukan ultrasonik.
Setelah pengujian ketat ini, mereka tidak menemukan perubahan signifikan dalam penampilan dan mikrostruktur sampel, yang sepenuhnya menunjukkan daya tahan dan stabilitas strukturalnya yang sangat baik.
Fokus pada penyederhanaan dan peningkatan ekonomi proses manufaktur
Untuk mencapai kesederhanaan dan ekonomi dalam proses pembuatan evaporator dan menghindari penggunaan peralatan yang mahal, mereka merancang langkah-langkah persiapan berikut:
Langkah pertama adalah pengepresan panas
Dengan menggunakan teknologi pengepresan panas, tim peneliti memampatkan busa melamin dengan ketebalan berbeda untuk memperoleh film melamin pra-tekan dengan ketebalan 1 mm.
Selama proses ini, seiring dengan peningkatan rasio ketebalan awal sampel terhadap ketebalan akhir yang dikompresi, ukuran pori film melamin yang telah dipres sebelumnya diatur secara halus dari 150 μm hingga 20 μm , membentuk struktur jaringan gradien tiga dimensi yang unik.
Langkah kedua adalah penyemprotan permukaan
Gunakan botol semprot untuk menyemprotkan suspensi graphene oksida secara merata pada permukaan film melamin yang telah dipres sebelumnya . Distribusi graphene oksida yang seragam pada film tersebut tercapai, yang menjadi dasar untuk reduksi surya selanjutnya.
Langkah ketiga adalah pengeringan tekanan atmosfer
Setelah penyemprotan, mereka meletakkan film langsung di udara untuk pengeringan udara alami. Langkah ini menghindari proses persiapan yang rumit, memakan waktu, dan energi seperti pengeringan beku, pengeringan superkritis, dan penggantian pelarut.
Langkah keempat adalah pengurangan sinar matahari
Yaitu, menggunakan kaca pembesar untuk memfokuskan sinar matahari pada sampel. Di bawah aksi sinar ultraviolet, warna permukaan sampel dengan cepat berubah dari cokelat menjadi hitam, yang menunjukkan bahwa oksida grafena telah berhasil direduksi menjadi oksida grafena tereduksi.
Metode reduksi surya ini tidak hanya mudah dioperasikan dan ramah lingkungan, tetapi juga tidak memerlukan penggunaan bahan pereduksi kimia atau proses reduksi termal suhu tinggi, sehingga secara signifikan mengurangi biaya produksi dan pencemaran lingkungan.
Fokus pada penyerapan energi surya yang efisien dan meminimalkan kehilangan energi
Penguap surya tidak hanya harus menyerap dan mengubah berbagai macam energi surya menjadi energi termal, tetapi juga meminimalkan kehilangan energi yang disebabkan oleh refleksi difus dan radiasi termal, serta menangkap energi tambahan dari lingkungan. Proses penguapan di antarmuka surya dikontrol oleh tiga fluks energi: masukan energi surya, keluaran energi penguapan, dan energi yang dibuang ke lingkungan.
Sayangnya, evaporator surya dua dimensi konvensional menghadapi masalah pembuangan energi akibat pertukaran panas dengan lingkungan sekitar, sehingga sulit mencapai efisiensi konversi surya ke uap 100% yang ideal. Sebaliknya, evaporator surya tiga dimensi dapat melampaui batas teoritis efisiensi konversi surya ke uap.
Untuk mengurangi kehilangan energi yang disebabkan oleh refleksi difus dan radiasi termal pada permukaan atas sampel tiga dimensi, tim merancang aerogel grafen cekung spiral tiga dimensi.
Struktur ini tidak hanya memiliki daya serap yang lebih tinggi dan daya pantul yang lebih rendah, tetapi dinding sampingnya juga mampu menyerap panas sekitar dan panas yang dipantulkan secara difus dari bagian bawah, sehingga memungkinkan pemulihan energi yang efektif.
Fokus pada optimasi toleransi garam dan manajemen kristalisasi garam
Yaitu; dengan merancang saluran transportasi yang unik, transportasi radial air garam ditingkatkan, yang mengarah pada kristalisasi garam secara terarah. Desain ini tidak hanya secara efektif mencegah garam mengendap dan menyumbat permukaan evaporator, tetapi juga mewujudkan pengumpulan dan pemanfaatan garam yang efektif, sehingga secara signifikan meningkatkan efisiensi dan keberlanjutan proses desalinasi.
Secara spesifik, mereka merancang dan menyiapkan struktur jaringan graphene gradien tiga dimensi berdasarkan film berpori melamin yang telah ditekan sebelumnya . Jaringan graphene gradien ini, yang jarang di bagian dalam dan padat di bagian luar, dapat membentuk perbedaan gaya kapiler radial, yang mendorong transportasi radial air garam. Seiring dengan terus dihasilkannya uap, aliran radial air garam meningkatkan konsentrasi air garam di area permukaan luar, menyebabkan garam mengkristal secara terarah pada permukaan luar daripada permukaan dalam. Desain ini memastikan bahwa permukaan dalam evaporator mempertahankan area penguapan yang cukup, sehingga mencapai penguapan surya yang efisien dan stabil.
Perlu disebutkan bahwa evaporator menggunakan seluruh permukaan luarnya untuk kristalisasi garam, membuat area kristalisasi jauh lebih besar daripada evaporator kristalisasi terarah lainnya.
Kristal garam sebagian besar tersusun dari kristal-kristal garam yang tersusun longgar dengan pori-pori yang banyak, yang bermanfaat untuk pengangkutan air garam dan pelepasan uap.
Selain itu, karena efek pendinginan evaporatif, suhu permukaan lapisan garam lebih rendah daripada suhu sekitar. Karakteristik ini memungkinkan evaporator menyerap lebih banyak energi dari lingkungan, yang selanjutnya meningkatkan kinerja penguapan.
Sumber artikel: Deep Tech
Kelompok penelitian: Tim Penelitian Universitas Kedokteran Pertama Shandong
Artikel ini dikutip dari: https://www.163.com/dy/article/J1RENDEH05119734.html
Untuk informasi lebih lanjut mengenai Busa Melamin SINOYQX, silakan hubungi kami di [email protected] atau hubungi kami melalui telepon: +86-28-8411-1861.
Beberapa gambar dan teks direproduksi dari Internet, dan hak cipta dimiliki oleh penulis asli. Jika terjadi pelanggaran, silakan hubungi kami untuk menghapusnya.