"Siyah giysiler" içindeki kum tatlı su toplama için kullanılabilir mi?
Tang Hanedanlığı'nda bir şair olan Li Bai bir keresinde içini çekti: "Sarı Nehir'in suyu gökten gelir ve denize koşar ve asla geri dönmez." Sarı Nehir'in suyu neden sürekli akar? Aslında bunun arkasında doğadaki devasa su döngüsü yatıyor.
Güneş enerjisi ile tahrik edilen su, sürekli olarak şeklini değiştirir ve dünyanın her köşesine taşınır, böylece yüzey organizmaları için sürekli olarak arıtılmış su kaynağı sağlar (Şekil 1a). Benzer şekilde, güneş enerjili su buharlaştırma teknolojisi, içme suyu olmayan suyu (deniz suyu, göl suyu, kanalizasyon vb.) Buharlaşma-yoğuşma işlemi yoluyla içilebilir saf suya dönüştürebilir ve temiz, çevre dostu, düşük maliyetli ve ek enerji kaynağına ihtiyaç duyulmaması vb. , Tatlı suyun kıt olduğu alanlarda geniş uygulama olanaklarına sahiptir (Şekil 1b).
Bunların arasında, güneş arayüzü ışığı ve sıcak su buharlaşır, güneş enerjisi, ışık-termal buharlaştırıcı yoluyla ısı enerjisine dönüştürülür ve ısı, buharlaştırıcının üst yüzeyiyle sınırlandırılır.Su burada sadece ısıtma ve buharlaştırma için kullanılır, bu da su buharlaşma kapasitesini daha da artırabilir. Çok ilgi gördü (Şekil 1c).
Bununla birlikte, halihazırda geliştirilen fototermal buharlaştırıcı malzemeleri, dar hammadde kaynağı, karmaşık hazırlık, yüksek maliyet, düşük stabilite ve zayıf çevresel uyumluluk gibi eksikliklere sahiptir, bu da fototermal tatlı su toplama yönünde daha fazla gelişmeyi sınırlar. Bu nedenle, geniş bir kaynak ve düşük maliyetli bir fototermal evaporatör malzemesinin nasıl tasarlanıp hazırlanacağı ve nasıl sürdürülebilir, yerel koşullara ve tatlı suya verimli erişimin sağlanacağı, acilen çözülmesi gereken bilimsel bir sorundur.
Şekil 1. a) Doğadaki su döngüsü (İnternetten resim); b) Güneş enerjili su buharlaştırma teknolojisi ile saf su toplamanın şematik diyagramı; c) Güneş arayüzü ışığı ve sıcak su buharlaştırma sürecinin şematik diyagramı
Kum doğadaki kayalardan ince parçacıklar oluşturacak şekilde ayrışarak oluşur (Şekil 2a) Günlük hayatımızın her yerinde görülebilen kum ana bileşeni silikon dioksittir (SiO2) İnşaat, cam ve elektronikte yaygın olarak kullanılmaktadır. endüstri. Kumun birçok potansiyel kullanımı olmasına rağmen, kumun tatlı su hasadı için kullanılabileceğini hiç duydunuz mu?
Birçok insanın yaz aylarında plaja gitmeyi sevdiğine inanıyorum. Sahilde yürürken, plajın bazen ayakkabı giymek zorunda kalacak kadar sıcak olduğunu hissediyor musunuz? Bunun nedeni, kumun belirli bir ışık emme kapasitesine sahip olması ve ısı enerjisine dönüştürülebilmesidir.Ayrıca, nispeten düşük bir özgül ısı kapasitesine sahiptir.Bu nedenle, güneş altında, plaj nispeten yüksek bir sıcaklığa sahip olma eğilimindedir. Ek olarak, kum biriktiğinde, genellikle içeride bir dizi mikron boyutunda gözenek oluşur ve bu gözenekler, kumun suyu yukarı doğru taşıma kabiliyetine sahip olmasını sağlamak için yeterli kılcal kuvvet sağlayabilir (Şekil 2b). Bu özellikler, düşük fiyatlı ve bol rezervli bir malzeme olan kumun güneş arayüzlü fototermal buharlaştırıcılar için bir malzeme olma potansiyeline sahip olmasını sağlar.
Şekil 2. a) Doğada kum oluşumu (İnternet'ten alınan resim); b) Kum, suyu yukarıdan aşağıya doğru taşıyabilen mükemmel bir kabiliyete sahiptir.
Bununla birlikte, sadece ısı elde etmek için kumun emilimine güvenmek, verimli buharlaşmayı sağlamak için yeterli değildir.Kumun daha güçlü ışık emme kapasitesine sahip olması için, Çin Bilimler Akademisi, Ningbo Enstitüsü'nden araştırmacılar, bunun için bir parça hazırladılar. "Siyah giysiler", ana bileşeni fototermal polimer-polipiroldür. Bununla birlikte, bu "siyah giysiler" tabakası doğrudan kumun yüzeyine giyilirse, ikisi arasındaki zayıf bağlama kuvveti nedeniyle, "siyah giysiler" kullanım sırasında düşecektir. Burada, araştırmacılar doğadaki midyelerden ilham alıyorlar ve polidopamin ile polipirol arasındaki zengin hidrojen bağlarını ve etkileşimlerini kullanarak kum ve bu "siyah ceket" i daha da iyi hale getirerek bu "siyah ceket" i bağladılar. Kum yüzeyine sıkıca takın (Şekil 3a). Sonuç olarak, bu "siyah giysili" kum, aynı ışık koşulları altında daha güçlü bir ışık emme kapasitesine sahiptir (Şekil 3b), bu nedenle daha yüksek bir sıcaklık gösterir (Şekil 3c), bu da ışığını artırmaya daha elverişlidir. Sıcak tatlı su toplama kapasitesi.
Şekil 3. a) "siyah giysiler" giyen kumun şematik diyagramıdır; b) "siyah giysiler" giyildikten sonra kumun daha güçlü ışık emme kapasitesi vardır; c) aynı aydınlatma altında, "siyah giysiler" giyen kum daha fazla görünür Yüksek sıcaklık
İlgili deneylerde, bu "siyah" kum güneş ışığının çoğunu absorbe edebilir ve kumda depolanan suyu ısıtmak için onu ısı enerjisine dönüştürerek deniz suyunun buharlaşmasını sağlayabilir. Su buharı yoğunlaştırıldıktan sonra son Temiz su alın. Bu süreçte kum birikmesiyle oluşan mikron boyutundaki gözeneklerin oluşturduğu kılcal kuvvet nedeniyle alt uçta arıtılacak deniz suyu sürekli olarak üst uca iletilerek buharlaşma nedeniyle kaybedilen suyu ikmal edecektir.Sonuç olarak tek güneş altında (1kw / m2) ), deniz suyu tuzdan arındırma oranı 1.21kgm-2h-1'e ulaşabilir, bu da bu ışık yoğunluğu altında, bir metrekareye "siyah" kum başına yalnızca 2 saatlik çalışmanın bir yetişkinin günlük içme suyu ihtiyacını karşılayabileceği anlamına gelir ( 2 ~ 2.5 kg / gün). Geleneksel ışıkla ısıtılmış deniz suyu arıtmaya ek olarak, bu "siyah" kum ayrıca güçlü çevresel uyumluluk gösterir ve çeşitli farklı uygulama ortamlarına uyum sağlayabilir. Örneğin deniz suyu şehirlerde ve sanayi bölgelerinde petrol kirliliğinden muzdarip olduğunda, yağlı kanalizasyon doğrudan buharlaştırıcıya verilirse, buharlaştırıcının kirlenmesine ve buharlaşma oranının düşmesine neden olabilir. Yüksek verimli ve sürdürülebilir su arıtma elde etmek için, hidrofilik kumun toplanmasıyla oluşturulan mikro gözenekler, önceden yağlı atık suları etkili bir şekilde ayırabilir ve ardından fototermal buharlaştırma için kullanılabilir. Sonuçlar, ön ayırmadan sonra, evaporatörün kirlenmemesini sağlarken, su arıtma oranının ön ayırma yapılmayanın 1,4 katına çıktığını göstermektedir. Ek olarak, bazı iç kurak bölgelerde veya çöllerde, doğrudan mevcut su kaynağı yoktur ve su buharının çoğu havada dağılır. Hazırlama işlemi sırasında inorganik tuzların katkılanması ve iç kapiler kuvvetlerin sinerjik etkisi nedeniyle, bu siyah giysili kum önce atmosferdeki nemi emebilir ve ardından güneş ışığı ile sürülerek yerinde aydınlatılabilir. Isı buharlaşarak temiz su elde edilir. Gerçek dış ortam atmosferik tatlı su toplama deneyinde, günlük ortalama saf su toplama kapasitesi yaklaşık 1,13 kg / m2'dir, bu da saf kumun 16 katıdır. Düşük fiyatlı ve bol bir malzeme olan kumun, basit kimyasal modifikasyon yoluyla ("siyah bir kaplama" giyerek) değişen uygulama ortamında verimli, sürdürülebilir ve yerelleştirilmiş tatlı su toplama sağlayabileceği görülebilir. Hepsi gelecekte daha fazla sanayileşme olanağı sağlar.
Şekil 4. "Siyah giysiler" içindeki kum, güçlü çevresel uyumluluk gösterir ve çeşitli farklı uygulama ortamlarına uyum sağlayabilir; a) Güneş enerjisi arayüzü fototermal deniz suyu arıtma; b) Ham petrol ile kirlenmiş deniz suyu önceden var olabilir Yağ-su ayırma işlemi yapın ve ardından arıtma yapın; c) Görünür su kaynaklarından uzak olması durumunda, geceleri havadaki nemi emebilir ve daha sonra tatlı su elde etmek için gündüz buharlaşabilir.
Araştırma sonuçları, Nano Energy'de (DOI: 10.1016 / j.nanoen.2019.104311) "Çevresel olarak uyarlanabilir güneşten ısıl arıtılmış su hasadına yönelik çok işlevli siyah kum agregasına aracılık eden kolektif davranışlar" başlığıyla çevrimiçi olarak yayınlandı ve ilgili patentler için başvurdu.
Kaynak: Ningbo Malzeme Teknolojisi ve Mühendisliği Enstitüsü, Çin Bilimler Akademisi
