Sebagai cara berkelanjutan untuk memanfaatkan sumber daya air, desalinasi surya memiliki potensi besar dalam memecahkan masalah kekurangan sumber daya air tawar dan mengatasi kekurangan air. Namun, teknologi desalinasi air laut tradisional sering kali memiliki masalah seperti konsumsi energi yang tinggi, peralatan yang rumit, dan biaya yang tinggi.
Dalam beberapa tahun terakhir, teknologi pelapisan desalinasi baru yang berbasis nanomaterial secara bertahap telah menarik perhatian para peneliti. Sebagai material dua dimensi baru, grafena oksida tereduksi grafena telah menunjukkan potensi yang signifikan dalam desalinasi surya.
Dibandingkan dengan bahan pelapis desalinasi tradisional, rGO memiliki keunggulan konduktivitas yang sangat baik, luas permukaan spesifik yang tinggi, dan stabilitas kimia yang baik, dan diharapkan dapat meningkatkan efisiensi desalinasi dan mengurangi konsumsi energi.
Namun, rGO sendiri memiliki masalah agregasi dan pengendapan, yang mengurangi aktivitas dan stabilitasnya. Oleh karena itu, pemasangan rGO pada material busa untuk membentuk lapisan komposit busa melamin /rGO telah menjadi cara efektif untuk meningkatkan efisiensi dan stabilitas desalinasi.
Dengan modifikasi permukaan dan penguatan sifat pembawa bahan busa, kami memperbaiki rGO secara seragam pada permukaan busa untuk meningkatkan area kontaknya dengan ion garam dalam air. Pada saat yang sama, struktur dan ketebalan lapisan rGO dikontrol untuk mengoptimalkan efisiensi dan stabilitas desalinasi.
Untuk memperoleh pemahaman yang lebih mendalam tentang mekanisme desalinasi, kami juga menyiapkan busa oksida grafena tereduksi (rGO). Busa melamin berlapis trioksida grafena memiliki struktur mikro berpori dan sifat hidrofilisitas yang melekat, yang memungkinkannya memiliki daya basah yang baik dan dapat menarik air ke area penguapan, sehingga memungkinkan air diisi ulang dengan cepat sambil menghindari presipitasi garam.
Sistem penguapan antarmuka busa melamin berlapis oksida grafena dapat mencapai efisiensi penguapan kondisi stabil sebesar 89.6% dengan bahan bakar surya 1 kW m−2. Sistem penguapan antarmuka ini memiliki efisiensi konversi surya ke panas yang tinggi dan stabilitas jangka panjang yang baik, yang menunjukkan potensi untuk desalinasi air laut komersial.
Saat ini, krisis energi global dan kekurangan air telah menjadi ancaman utama bagi pembangunan berkelanjutan masyarakat manusia. Untuk memenuhi permintaan energi yang terus meningkat, pengembangan berbagai teknologi konversi energi dan pemurnian air berkinerja tinggi telah mendapat perhatian yang semakin besar.
Teknologi penguapan antarmuka bertenaga surya
Sebagai sumber energi terbarukan yang menjanjikan, energi surya memiliki kapasitas yang sangat besar, universalitas, kebersihan, dan kemampuan konversi multifungsi. Energi surya telah menunjukkan potensi untuk menggantikan bahan bakar fosil yang tersimpan dalam bahan bakar fosil.
Selain teknologi fotovoltaik surya yang secara langsung menghasilkan energi listrik, teknologi konversi energi surya-termal juga menyerap energi surya dan mengubahnya menjadi energi termal, yang dianggap sebagai cara yang sederhana dan efektif untuk memanfaatkan energi surya.
Energi termal yang dikonversi dari energi surya dapat menggerakkan berbagai proses industri penting seperti pembangkit listrik tenaga surya termal, desalinasi surya, sterilisasi, sistem pemanas air tenaga surya, dan berbagai aplikasi terkait panas lainnya. Desalinasi surya menawarkan solusi yang efektif, terutama untuk daerah yang kekurangan infrastruktur, karena dapat mengekstraksi air tawar dari air laut tanpa masukan energi tambahan.
Dalam beberapa tahun terakhir, teknologi penguapan antarmuka bertenaga surya menempatkan proses konversi panas surya pada antarmuka cair-uap dan telah menjadi teknologi pemanfaatan energi surya yang baru. Dibandingkan dengan pemanasan integral tradisional, sistem penguapan antarmuka menunjukkan efisiensi penguapan yang lebih tinggi dan respons termal yang lebih cepat serta merupakan alternatif potensial untuk desalinasi air laut.
Sejauh ini, banyak penelitian telah dilakukan untuk meningkatkan kinerja termal sistem penguapan antarmuka. Sistem penguapan antarmuka bertenaga surya pada umumnya terdiri dari tiga bagian penting:
Penyerap surya dengan daya serap surya tinggi dan secara efisien mengubah radiasi surya menjadi energi panas; isolator yang mentransfer panas yang diubah ke air massal; dan jalur pasokan air yang secara terus-menerus menarik air dari air massal ke permukaan penyerap surya.
Dalam penelitian sebelumnya, sejumlah besar peneliti telah mencurahkan diri untuk meningkatkan efisiensi konversi energi surya menjadi uap secara keseluruhan dengan mensintesis material penyerap energi surya dan pita lebar, mengoptimalkan desain jalur pasokan air baru, dan meningkatkan struktur isolasi termal.
Sejauh ini, sistem penguapan antarmuka bertenaga surya telah digunakan dalam banyak proses industri, distilasi surya terinduksi, sterilisasi surya, desalinasi surya, dan pembangkitan tenaga surya. Untuk mencapai kinerja penguapan sistem yang tinggi, penting untuk mengeksplorasi penyerapan pita lebar di seluruh spektrum surya dari bahan penyerap surya.
Bahan penyerap energi surya yang dikembangkan dan dieksplorasi dalam sistem penguapan antarmuka bertenaga surya terutama mencakup bahan karbon, partikel plasmonik, dan bahan penyerap selektif spektral. Di antara bahan-bahan tersebut, bahan hitam alami dan bahan karbon memiliki kemampuan konversi panas surya yang kuat dan cocok untuk penyerap surya intensitas tinggi dan pita lebar.
Karena tingkat penyerapan sinar matahari yang tinggi, biaya rendah, dan stabilitas yang baik, banyak penyerap sinar matahari berbasis karbon telah dipelajari, termasuk karbon nanotube, grafit, dan oksida grafena tereduksi. Setelah bertahun-tahun pengembangan, efisiensi konversi sinar matahari ke uap sistem di bawah sinar matahari telah mencapai lebih dari 90%.
Meskipun telah terjadi peningkatan besar dalam pengembangan bahan penyerap energi surya dan perancangan struktur penguapan antarmuka, sebagian besar perangkat desalinasi surya yang dilaporkan sebelumnya disebabkan oleh akumulasi garam pada permukaan atas evaporator selama proses desalinasi. Garam yang terakumulasi menghalangi penyerapan surya dan menghalangi evaporator berpori, sehingga mengakibatkan rendahnya efisiensi konversi surya ke panas dan kinerja penguapan yang buruk.
Metode fisik tradisional seperti gelombang ultrasonik dan perendaman air umumnya digunakan untuk menghilangkan garam yang terkumpul, tetapi metode ini dapat dengan mudah menyebabkan kerusakan pada struktur penguapan antarmuka.
Untuk mengurangi akumulasi garam dalam sistem penguapan antarmuka, banyak penelitian telah difokuskan pada pengembangan penguapan hidrofobik. Akan tetapi, evaporator hidrofobik membatasi pasokan air ke permukaan atas, sehingga mengurangi kinerja penguapan sistem. Cara lain untuk mengatasi masalah ini adalah dengan menggunakan evaporator hidrofilik, yang memindahkan kelebihan garam dari permukaan atas ke air curah.
Hingga saat ini, banyak penelitian yang berfokus pada perancangan evaporator hidrofilik, seperti membran kain selulosa hidrofilik, membran hidrofilik berbasis kertas, dan evaporator yang terinspirasi dari bio. Namun, pengembangan sistem penguapan antarmuka bertenaga surya yang stabil dan sangat efisien dalam jangka panjang masih menjadi tantangan yang signifikan.
Dalam kajian ini, kami mendemonstrasikan busa oksida grafen tereduksi (rGO) yang tahan garam, sangat efisien dalam menyerap tenaga surya, dan cepat tanggap terhadap panas untuk desalinasi antarmuka muka yang digerakkan oleh tenaga surya di bawah pencahayaan surya fluoresensi rendah.
Dalam struktur berpori yang baru, busa melamin hidrofilik (MF) dipilih sebagai dasarnya, yang tidak hanya memperluas luas permukaan untuk penyerapan matahari tetapi juga meningkatkan hamburan ganda.
Sifat hidrofilisitas dan porositas permukaan busa melamin berlapis oksida grafen tereduksi memberikan pembasahan dan peleburan yang cukup pada zona konversi panas matahari, serta pengisian ulang air yang cepat, sekaligus menghindari akumulasi garam.
Memanfaatkan kinerja tinggi busa melamin berlapis oksida grafena tereduksi, sistem antarmuka bertenaga surya mampu mencapai tingkat konversi surya ke uap sebesar 89.6%.
Lebih jauh lagi, dengan memadukan busa melamin berlapis grafena oksida tereduksi ke dalam energi surya komersial, kami merancang dan membuat perangkat desalinasi air laut antarmuka bertenaga surya dengan efisiensi konversi surya ke air sebesar 56.4% di bawah sinar matahari. Berkat desalinasi surya, air bersih yang terkumpul memenuhi persyaratan kualitas layak minum.
Dengan kinerja penguapan yang unggul dan skalabilitas bahan konversi surya ke termal, sistem desalinasi air laut antarmuka bertenaga surya ini menghadirkan prospek aplikasi yang luas dalam aplikasi praktis desalinasi air laut.
Skalabilitas bahan perpindahan panas desalinasi surya
Sistem penguapan antarmuka berdasarkan busa melamin berlapis oksida grafena tereduksi. Busa melamin berlapis oksida grafena tereduksi berada di tengah dan dibungkus oleh lapisan busa polietilena (PE) di bagian luar untuk membangun sistem penguapan antarmuka gelembung sendiri.
Busa melamin yang dilapisi dengan oksida grafen tereduksi telurium digunakan untuk menyerap radiasi matahari yang datang dengan cepat, mengubah energi matahari menjadi panas, dan menghasilkan gaya pendorong untuk penguapan antarmuka. Di sisi lain, busa melamin berlapis oksida grafen tereduksi hidrofilik dapat terus-menerus menarik air garam ke zona penguapan.
Struktur berpori dari busa melamin berlapis grafena trioksida memungkinkan uap yang dihasilkan keluar ke lingkungan, sehingga meningkatkan penyerapan sinar matahari dan dengan demikian meningkatkan efisiensi konversi surya menjadi panas. Busa melamin berlapis grafena oksida tereduksi bersifat berpori dan hidrofilik, sehingga dapat menarik air ke dalam struktur penguapan yang dijelaskan di atas sekaligus memecah garam pekat kembali ke dalam air laut.
Selama proses penguapan, konsentrasi garam pada busa lebih tinggi daripada konsentrasi air laut di dasar. Perubahan konsentrasi menyebabkan garam terurai menjadi air dalam jumlah besar. Selain itu, busa polietilen di sekitarnya tidak hanya mengurangi busa melamin berlapis oksida grafena , tetapi juga secara alami berkumpul di permukaan air, menghambat kehilangan panas yang disebabkan oleh air garam di sekitarnya.
Sistem penguapan antarmuka dapat beroperasi secara terus-menerus dan efisien pada permukaan air tanpa memerlukan desain konstruksi yang rumit. Lebih jauh lagi, karena penguapan terjadi pada antarmuka gas-cair, sistem penguapan antarmuka dapat bergerak secara otomatis saat antarmuka surut.
Busa melamin berlapis oksida grafena tereduksi telurium merupakan komponen utama sistem penguapan antarmuka. Busa melamin direndam dalam suspensi koloid oksida grafena untuk menyiapkan busa melamin berlapis oksida grafena tereduksi, kemudian oksida grafena direduksi menjadi oksida grafena tereduksi menggunakan metode hidrotermal.
Busa melamin berlapis oksida grafen tereduksi dengan diameter 3.5 cm dan ketebalan 1.6 cm mudah dibuat dan warnanya hitam pekat.
Kekasaran permukaan bahan busa melamin berlapis oksida grafena tereduksi yang diamati menggunakan mikroskop optik tiga dimensi menunjukkan variasi ketinggian lebih dari 300 μm. Struktur permukaan kasar komposit konversi termal surya terutama disebabkan oleh struktur berpori busa melamin, dan oksida grafena tereduksi yang dimodifikasi juga meningkatkan kekasaran permukaan.
Kekasaran permukaan memperkuat luas permukaan penyerapan sinar matahari sekaligus meningkatkan hamburan ganda sinar matahari yang datang, sehingga meningkatkan efisiensi konversi sinar matahari menjadi panas pada sistem. Struktur mikro busa melamin yang telah disiapkan pada perbesaran yang berbeda. Permukaan busa melamin berlapis oksida grafena menunjukkan struktur jaringan yang berkerut dan saling terhubung.
Ukuran pori busa melamin berlapis rGO adalah antara 20 dan 40 μm. Struktur pori terbuka dan permukaan berkerut memudahkan pengendapan oksida grafena. Busa melamin berlapis oksida grafena tereduksi memiliki daya serap air yang baik karena sifat hidrofilisitas busa melamin berpori.
Setelah tetesan air menyentuh permukaan busa melamin berlapis oksida grafena tereduksi, air tersebut akan diserap sepenuhnya dalam waktu 0.5 detik. Permukaan hidrofilik komposit oksida grafena tereduksi dapat dengan cepat mengarahkan drainase di dalam struktur berpori. Porositas busa melamin berlapis oksida grafena tereduksi ditentukan dengan membandingkan perubahan massa sebelum dan sesudah penyerapan air.
Porositas busa melamin berlapis oksida grafena dapat mencapai 85.55%. Penyerapan energi surya oleh busa melamin berlapis oksida grafena tereduksi secara langsung memengaruhi efisiensi konversi surya ke panas dari sistem. Untuk mengevaluasi ketahanan garam, busa melamin berlapis oksida grafena tereduksi ditempatkan dalam larutan natrium klorida (3.5 wt%).
Kemudian 3 g natrium klorida padat diletakkan di permukaan atas dan busa melamin berlapis Tergo diletakkan pada kerapatan surya 1 kW m−2. Jumlah garam padat tersebut larut secara bertahap setelah 120 menit.
Ketika sinar matahari menyinari permukaan atas busa melamin berlapis rGO , suhu busa melamin berlapis rGO meningkat dengan cepat dalam hitungan menit dan tetap berada pada suhu 35°C selama proses penguapan. Karena kelarutan garam bergantung pada suhu, semakin tinggi suhu, semakin cepat garam larut dan oleh karena itu garam besi dapat dilarutkan kembali ke dalam air permukaan.
Pada busa melamin berlapis oksida grafena tereduksi, yang memiliki banyak pori dengan kapasitas penyerapan air tinggi yang dapat menyediakan pasokan air terus-menerus ke permukaan atas, garam dapat berpindah dari permukaan atas ke lapisan air di bawahnya. Perubahan suhu menyebabkan perubahan salinitas antara permukaan penguapan atas dan tubuh.
Untuk memperoleh penyerapan energi surya yang efisien dan tersebar luas, busa melamin dimodifikasi dengan busa melamin hidrofilik berpori, sehingga meningkatkan luas permukaan penyerapan surya dan meningkatkan hamburan ganda.
Sistem penguapan antarmuka surya berbasis busa melamin berlapis rGO menunjukkan respons termal yang cepat pada kerapatan daya surya 1 kW m−2, mencapai efisiensi konversi termal surya kondisi tetap sebesar 89.6%.
Akhirnya, kami memadukan evaporator busa melamin berlapis oksida grafen tereduksi ke dalam penyuling tenaga surya, yang dapat menghasilkan 56.4% air minum dengan akumulasi garam pada 1 kW m−2.
Kami membayangkan bahwa perangkat desalinasi antarmuka bertenaga surya ini dapat digunakan di pulau-pulau terpencil atau di lautan untuk mengumpulkan air minum dari air laut yang melimpah atau sumber daya air asin lainnya.
Kesimpulan
Busa melamin berlapis rGO sebagai teknologi desalinasi surya yang inovatif dan efisien memiliki potensi dan prospek aplikasi yang besar. Busa ini tidak hanya dapat menyediakan sumber air tawar yang andal untuk daerah yang kekurangan air, tetapi juga mengurangi ketergantungan pada energi tradisional, mengurangi konsumsi energi, dan polusi lingkungan.
Hasil penelitian ini akan memberikan kontribusi penting bagi pemecahan masalah kekurangan sumber daya air tawar global dan mendorong terwujudnya pembangunan berkelanjutan.
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.