태양열 구동 계면 증발(SIE)은 태양 에너지를 효율적으로 이용하여 담수를 생산할 수 있는 능력 덕분에 담수 부족 문제를 해결할 수 있는 가장 유망한 기술 중 하나로 여겨집니다. 또한, 태양열 증발기는 고농도 염수 폐수 처리에 있어 독특한 장점을 가지고 있습니다 . 증발 과정에서 소금 결정만 부산물로 생성되므로 폐수가 전혀 발생하지 않습니다. 그러나 증발기 내부에 소금이 축적되면 빛 흡수를 방해하고 증기 배출을 저해하여 궁극적으로 증발기의 증발 성능 저하 또는 고장을 초래할 수 있습니다.
이 문제를 완화하기 위해 일부 연구자들은 "소금 순환" 전략을 제안했습니다. 즉, 용액의 순환 경로를 설계하여 소금 이온이 염수로 다시 흘러들어가 증발 표면에 소금이 결정화되는 것을 방지하고, 지속적이고 안정적인 증발을 달성하는 것입니다. 그러나 이 방법은 용액의 염도를 증가시키고 소금 결정화 문제를 여전히 피할 수 없습니다.
또 다른 해결책은 "염석(salting out)" 전략입니다. 즉, 소금이 비증발 영역에서 우선적으로 결정화되도록 구조를 조절하여 소금 결정화가 증발 성능에 미치는 영향을 줄이고 소금과 담수를 동시에 수집하는 것입니다. 그러나 "염석" 전략은 실제 적용에 있어 여전히 몇 가지 심각한 과제에 직면해 있습니다.
첫째, 일차원 염수 이동은 흡수 용량을 제한하여 전체 증발률을 크게 감소시킵니다. 둘째, 염 결정화 전략은 강한 접착력으로 인해 증발기 표면에서 자동으로 떨어지기 어려운 염 결정을 정기적으로 제거해야 합니다. 침전된 염이 제때 제거되지 않으면 증발 성능이 저하될 수밖에 없습니다. 또한, 많은 고효율 태양열 증발기는 고압, 저진공 또는 고온 열처리와 같이 위험하거나 시간이 많이 소요되는 준비 공정을 필요로 합니다.
따라서 간단한 준비 과정을 통해 장기적이고 효율적이며 안정적인 물 증발과 소금 수집을 달성하는 내구성 있는 태양 증발기를 개발하여 무액체 배출 담수화를 실현하는 것은 아직 달성되지 않은 과학적 목표입니다.
산둥제일의과대학 연구팀은 위와 같은 과제를 바탕으로 3차원 그래디언트 그래핀 나선형 에어로젤 증발기를 개발했습니다. 이를 통해 고농도 염수의 효율적인 태양 증발을 달성하고 액체 배출을 전혀 하지 않아도 됩니다.
효율적인 태양열 흡수, 완전한 에너지 활용, 우수한 내염성 및 장기 안정성 측면에서 태양 증발기의 엄격한 요구 사항을 충족하기 위해 프로젝트 설계는 주로 다음 네 가지 핵심 사항에 중점을 두었습니다.
구조 설계 및 화학적 안정성 향상에 집중
태양열 담수화를 장기간 효율적이고 안정적으로 구현하려면 증발기는 견고한 네트워크 구조와 화학적 안정성을 갖춰야 합니다. 따라서 연구팀은 저렴하고, 초친수성이며, 높은 다공성과 높은 복원력을 지닌 멜라민 폼을 태양열 증발기의 지지 골격으로 선택했습니다.
그런 다음 그들은 멜라민 폼을 골격으로 하는 그래핀 에어로젤의 기계적 특성을 압축, 굽힘, 인장을 포함한 여러 모드에서 연구하여 기계적 특성을 종합적으로 평가했습니다.
연구팀은 실제 적용 조건에서의 견고성과 내구성을 더욱 검증하기 위해 다양한 극한 조건에서 테스트를 수행했습니다.
구체적으로, 연구진은 시료를 공기와 물 속에서 20회 반복적으로 구부리고, 산성 및 알칼리성 용액에 담그고 , 고온 및 초음파 교반과 같은 가혹한 환경에 노출시켰습니다.
이러한 엄격한 테스트를 거친 후, 연구진은 샘플의 외관과 미세 구조에 큰 변화가 없음을 발견했으며, 이는 샘플의 뛰어난 내구성과 구조적 안정성을 충분히 입증했습니다.
제조 공정의 단순화 및 경제적 개선에 집중
증발기 제조 공정에서 단순성과 경제성을 달성하고 값비싼 장비의 사용을 피하기 위해 그들은 다음과 같은 준비 단계를 설계했습니다.
첫 번째 단계는 핫프레싱입니다
연구팀은 열간 압착 기술을 사용하여 다양한 두께의 멜라민 폼을 압축하여 두께 1mm의 사전 압착 멜라민 필름을 얻었습니다.
이 과정에서 시료의 원래 두께와 최종 압축 두께 의 비율이 증가함에 따라, 사전 압축된 멜라민 필름의 기공 크기가 150μm 에서 20μm 까지 정밀하게 조절되어 독특한 3차원 경사 네트워크 구조가 형성됩니다.
두 번째 단계는 표면 분무입니다.
분무기를 사용하여 그래핀 산화물 현탁액을 미리 압착된 멜라민 필름 표면에 고르게 분사합니다 . 필름 내 그래핀 산화물의 균일한 분포가 이루어졌으며, 이는 후속적인 태양열 환원 공정의 기초가 되었습니다.
세 번째 단계는 대기압 건조입니다.
분무 후, 필름을 공기 중에 직접 놓아 자연 건조시켰습니다. 이 단계를 통해 동결 건조, 초임계 건조, 용매 교체와 같은 복잡하고 시간 소모적이며 에너지 소모적인 제조 공정을 피할 수 있습니다.
네 번째 단계는 햇빛 감소입니다.
즉, 돋보기를 사용하여 햇빛을 시료에 집중시키는 것입니다. 자외선의 작용으로 시료 표면의 색이 갈색에서 검은색으로 빠르게 변하는데, 이는 그래핀 산화물이 환원된 그래핀 산화물로 성공적으로 환원되었음을 나타냅니다.
이 태양열 환원 방법은 작동이 간편하고 환경 친화적일 뿐만 아니라 화학적 환원제나 고온 열 환원 공정을 사용할 필요가 없어 생산 비용과 환경 오염을 크게 줄일 수 있습니다.
효율적인 태양 에너지 흡수와 에너지 손실 최소화에 집중
태양 증발기는 광범위한 태양에너지를 흡수하여 열에너지로 변환할 뿐만 아니라, 난반사와 열복사로 인한 에너지 손실을 최소화하고 주변 환경으로부터 추가 에너지를 흡수해야 합니다. 태양 접촉면에서의 증발 과정은 태양에너지 입력, 증발 에너지 출력, 그리고 주변 환경으로 방출되는 에너지, 이 세 가지 에너지 흐름에 의해 제어됩니다.
안타깝게도 기존의 100차원 태양열 증발기는 주변 환경과의 열 교환으로 인한 에너지 손실 문제가 발생하여 이상적인 XNUMX% 태양열-증기 전환 효율을 달성하기 어렵습니다. 반면, XNUMX차원 태양열 증발기는 태양열-증기 전환 효율의 이론적 한계를 뛰어넘을 수 있습니다.
연구팀은 3차원 샘플의 상부 표면에서 난반사와 열 복사로 인해 발생하는 에너지 손실을 줄이기 위해 3차원 나선형 오목 그래핀 에어로젤을 설계했습니다.
이 구조는 흡수율이 높고 반사율이 낮을 뿐만 아니라, 측벽이 주변 열을 흡수하고 바닥에서 확산 반사되는 열을 흡수하여 효과적인 에너지 회수가 가능합니다.
염분 내성 최적화 및 염분 결정화 관리에 집중
즉, 독특한 이송 채널을 설계함으로써 염수의 방사형 이송을 촉진하여 염의 방향성 결정화를 유도합니다. 이 설계는 증발기 표면에 염분이 침전되어 막히는 것을 효과적으로 방지할 뿐만 아니라, 염분의 효과적인 포집 및 활용을 실현하여 담수화 공정의 효율성과 지속가능성을 크게 향상시킵니다.
구체적으로, 그들은 사전 압착된 멜라민 다공성 필름 을 기반으로 하는 3차원 경사 그래핀 네트워크 구조를 설계하고 제작했습니다 . 내부가 성글고 외부가 조밀한 이 경사 그래핀 네트워크는 방사형 모세관력 차이를 형성하여 염수의 방사형 이동을 촉진합니다. 증기가 계속 발생함에 따라 염수의 방사형 흐름은 외부 표면적의 염수 농도를 증가시켜 염이 내부 표면이 아닌 외부 표면에서 방향성 결정화를 일으키도록 합니다. 이러한 설계는 증발기 내부 표면의 충분한 증발 면적을 유지하여 효율적이고 안정적인 태양열 증발을 실현합니다.
증발기는 외부 표면 전체를 소금 결정화에 사용하므로 다른 방향성 결정화 증발기보다 결정화 영역이 훨씬 더 넓다는 점이 언급할 가치가 있습니다.
소금 결정은 주로 풍부한 기공을 가진 느슨하게 뭉친 소금 결정으로 이루어져 있어 소금물의 운반과 증기의 방출에 유익합니다.
또한, 증발 냉각 효과로 인해 소금층의 표면 온도가 주변 온도보다 낮아집니다. 이러한 특성 덕분에 증발기는 주변 환경으로부터 더 많은 에너지를 흡수하여 증발 성능을 더욱 향상시킬 수 있습니다.
기사 출처: Deep Tech
연구 그룹: 산둥제일의과대학 팀 연구 그룹
이 기사는 다음 링크에서 인용되었습니다: https://www.163.com/dy/article/J1RENDEH05119734.html
SINOYQX 멜라민 폼에 대한 자세한 정보는 [email protected] 으로 문의하시거나 +86-28-8411-1861로 전화 주시기 바랍니다.
일부 사진과 글은 인터넷에서 복사한 것이며, 저작권은 원저자에게 있습니다. 침해가 있을 경우 삭제를 위해 저희에게 연락해 주시기 바랍니다.