يُعتبر التبخير السطحي المُشغَّل بالطاقة الشمسية من أكثر التقنيات الواعدة للتخفيف من نقص المياه العذبة، وذلك لقدرته على استخدام الطاقة الشمسية بكفاءة لإنتاج المياه العذبة. إضافةً إلى ذلك، تتميز المبخرات الشمسية بمزايا فريدة في معالجة مياه الصرف المالحة المركزة . لا ينتج عن عملية التبخير سوى بلورات الملح كمنتج ثانوي، مما يحقق صفر تصريف سائل. مع ذلك، فإن تراكم الملح في المبخر يعيق امتصاص الضوء ويؤثر على خروج البخار، مما يؤدي في النهاية إلى انخفاض كفاءة التبخير أو حتى تعطل المبخر.
للتخفيف من هذه المشكلة، اقترح بعض الباحثين استراتيجية "دوران الملح". أي تصميم مسار دوران للمحلول يسمح لأيونات الملح بالتدفق عائدةً إلى المحلول الملحي، مما يمنع تبلور الملح على سطح التبخر، ويحقق تبخرًا مستمرًا ومستقرًا. مع ذلك، ستؤدي هذه الطريقة إلى زيادة ملوحة المحلول، وتبقى مشكلة تبلور الملح حتمية.
هناك حل آخر يتمثل في استراتيجية "التمليح الخارجي". أي أن الهيكل مُنظَّم بحيث يتبلور الملح بشكل تفضيلي في منطقة عدم التبخر، مما يُقلل من تأثير تبلور الملح على أداء التبخر، ويحقق جمعًا متزامنًا للملح والماء العذب. مع ذلك، لا تزال استراتيجية "التمليح الخارجي" تواجه بعض التحديات الجسيمة في التطبيق العملي.
أولاً، يحدّ نقل المحلول الملحي أحادي البعد من سعة الامتصاص، مما يُخفّض بشكل كبير معدل التبخر الإجمالي. ثانياً، تتطلب استراتيجية تبلور الملح إزالةً منتظمةً لبلورات الملح، التي يصعب تساقطها تلقائياً من سطح المبخر بسبب قوة التصاقها. إذا لم يُزل الملح المترسّب في الوقت المناسب، فسينخفض أداء التبخر حتماً. إضافةً إلى ذلك، تتطلب العديد من المبخرات الشمسية عالية الكفاءة عمليات تحضير خطيرة أو تستغرق وقتاً طويلاً، مثل المعالجات الحرارية عالية الضغط، أو منخفضة التفريغ، أو عالية الحرارة.
ومن ثم، فإن تطوير مبخر شمسي متين لتحقيق تبخر المياه وتجميع الملح بكفاءة واستقرار على المدى الطويل من خلال عملية تحضير بسيطة لتحلية المياه بدون تصريف أي سوائل هو هدف علمي لم يتحقق بعد.
وبناءً على التحديات المذكورة أعلاه، قام فريق البحث في جامعة شاندونغ الطبية الأولى بإعداد مبخر هوائي حلزوني من الجرافين متدرج الأبعاد ثلاثي الأبعاد، والذي يمكنه تحقيق تبخر شمسي فعال لمياه البحر عالية التركيز وتحقيق تصريف سائل صفري.
من أجل تلبية المتطلبات الصارمة لمبخرات الطاقة الشمسية من حيث امتصاص الطاقة الشمسية بكفاءة، والاستخدام الكامل للطاقة، ومقاومة الملح الممتازة والاستقرار على المدى الطويل، يركز تصميم المشروع بشكل أساسي على النقاط الأربع الرئيسية التالية:
التركيز على التصميم الهيكلي وتعزيز الاستقرار الكيميائي
يحتاج المبخر إلى بنية شبكية قوية واستقرار كيميائي، وهو أمر بالغ الأهمية لتحقيق تحلية مياه شمسية فعالة ومستقرة على المدى الطويل. لذلك، اختاروا رغوة الميلامين منخفضة التكلفة، فائقة المحبة للماء، عالية المسامية، وعالية المرونة كهيكل داعم للمبخر الشمسي.
ثم قاموا بدراسة الخصائص الميكانيكية للهلام الهوائي المصنوع من الجرافين مع رغوة الميلامين كهيكل في أوضاع متعددة، بما في ذلك الضغط والانحناء والشد، لتقييم خصائصها الميكانيكية بشكل شامل.
ومن أجل التحقق بشكل أكبر من متانتها وقوتها في ظل ظروف التطبيق الفعلية، أجرى فريق البحث اختبارات في ظل مجموعة متنوعة من الظروف القاسية.
وعلى وجه التحديد، قاموا بثني العينة بشكل متكرر 20 مرة في الهواء والماء، ونقعها في محاليل حمضية وقلوية ، ووضعوها في بيئات قاسية مثل درجات الحرارة العالية والتحريك بالموجات فوق الصوتية.
وبعد هذه الاختبارات الصارمة، لم يجدوا أي تغييرات كبيرة في مظهر العينة وبنيتها الدقيقة، مما يثبت تمامًا متانتها الممتازة واستقرارها البنيوي.
التركيز على تبسيط وتحسين العمليات التصنيعية اقتصاديًا
ولتحقيق البساطة والاقتصاد في عملية تصنيع المبخر وتجنب استخدام المعدات باهظة الثمن، فقد صمموا خطوات التحضير التالية:
الخطوة الأولى هي الضغط الساخن
وباستخدام تقنية الضغط الساخن، قام فريق البحث بضغط رغوة الميلامين ذات السماكات المختلفة للحصول على فيلم ميلامين مضغوط مسبقًا بسماكة 1 مم.
خلال هذه العملية، ومع زيادة نسبة السماكة الأصلية للعينة إلى السماكة النهائية المضغوطة، يتم تنظيم حجم المسام في غشاء الميلامين المضغوط مسبقًا بدقة من 150 ميكرومتر إلى 20 ميكرومتر ، مما يشكل بنية شبكية متدرجة ثلاثية الأبعاد فريدة من نوعها.
الخطوة الثانية هي الرش السطحي
استخدم زجاجة رذاذ لرش معلق أكسيد الجرافين بالتساوي على سطح غشاء الميلامين المضغوط مسبقًا . وقد تحقق التوزيع المتجانس لأكسيد الجرافين في الغشاء، مما مهد الطريق لعملية الاختزال الشمسي اللاحقة.
الخطوة الثالثة هي التجفيف بالضغط الجوي
بعد الرش، وُضع الفيلم مباشرةً في الهواء ليجفّ طبيعيًا. تُجنّب هذه الخطوة عمليات التحضير المعقدة والمستهلكة للوقت والطاقة، مثل التجفيف بالتجميد والتجفيف فوق الحرج واستبدال المذيبات.
الخطوة الرابعة هي تقليل ضوء الشمس
أي باستخدام عدسة مكبرة لتركيز ضوء الشمس على العينة. تحت تأثير الأشعة فوق البنفسجية، يتغير لون سطح العينة بسرعة من البني إلى الأسود، مما يدل على نجاح اختزال أكسيد الجرافين إلى أكسيد جرافين مختزل.
هذه الطريقة لتقليل الطاقة الشمسية ليست سهلة التشغيل وصديقة للبيئة فحسب، بل إنها لا تتطلب أيضًا استخدام عوامل الاختزال الكيميائية أو عمليات الاختزال الحراري عالية الحرارة، مما يقلل بشكل كبير من تكاليف الإنتاج والتلوث البيئي.
التركيز على امتصاص الطاقة الشمسية بكفاءة وتقليل فقدان الطاقة
لا يقتصر دور المبخرات الشمسية على امتصاص وتحويل نطاق واسع من الطاقة الشمسية إلى طاقة حرارية فحسب، بل يجب أيضًا تقليل خسائر الطاقة الناتجة عن الانعكاس المنتشر والإشعاع الحراري، والتقاط طاقة إضافية من البيئة. يتم التحكم في عملية التبخر عند الواجهة الشمسية من خلال ثلاثة تدفقات للطاقة: مدخلات الطاقة الشمسية، ومخرجات طاقة التبخر، والطاقة المُبددة في البيئة.
للأسف، تواجه المبخرات الشمسية ثنائية الأبعاد التقليدية مشاكل في تبديد الطاقة بسبب تبادل الحرارة مع البيئة المحيطة، مما يُصعّب تحقيق كفاءة تحويل الطاقة الشمسية إلى بخار المثالية بنسبة 100%. في المقابل، يُمكن للمبخرات الشمسية ثلاثية الأبعاد تجاوز الحد النظري لكفاءة تحويل الطاقة الشمسية إلى بخار.
لتقليل فقدان الطاقة الناجم عن الانعكاس المنتشر والإشعاع الحراري على السطح العلوي للعينة ثلاثية الأبعاد، قام الفريق بتصميم هلام الجرافين الحلزوني المقعر ثلاثي الأبعاد.
لا يتمتع هذا الهيكل بقدرة امتصاص أعلى وانعكاسية أقل فحسب، بل إن جدرانه الجانبية قادرة أيضًا على امتصاص الحرارة المحيطة والحرارة المنعكسة بشكل منتشر من الأسفل، مما يتيح استعادة الطاقة بشكل فعال.
التركيز على تحسين تحمل الملح وإدارة تبلور الملح
هذا يعني أنه بتصميم قناة نقل فريدة، يتم تعزيز النقل الشعاعي للمحلول الملحي، مما يؤدي إلى تبلور الملح اتجاهيًا. هذا التصميم لا يمنع ترسب الملح وانسداده على سطح المبخر فحسب، بل يُحقق أيضًا جمعًا واستغلالًا فعالين للملح، مما يُحسّن بشكل كبير كفاءة واستدامة عملية تحلية المياه.
على وجه التحديد، قاموا بتصميم وتحضير بنية شبكية ثلاثية الأبعاد من الجرافين المتدرج، بالاعتماد على غشاء مسامي من الميلامين المضغوط مسبقًا . تُشكل هذه الشبكة، ذات الكثافة المنخفضة في الداخل والكثافة العالية في الخارج، فرقًا في قوة الشعرية الشعاعية، مما يُعزز النقل الشعاعي للمحلول الملحي. ومع استمرار توليد البخار، يزيد التدفق الشعاعي للمحلول الملحي من تركيزه في منطقة السطح الخارجي، مما يؤدي إلى تبلور الملح بشكل موجه على السطح الخارجي بدلًا من السطح الداخلي. يضمن هذا التصميم الحفاظ على مساحة تبخير كافية على السطح الداخلي للمبخر، وبالتالي تحقيق تبخير شمسي فعال ومستقر.
ومن الجدير بالذكر أن المبخر يستخدم كامل سطحه الخارجي لتبلور الملح، مما يجعل مساحة التبلور أكبر بكثير من مبخرات التبلور الاتجاهية الأخرى.
تتكون بلورات الملح بشكل أساسي من بلورات ملح معبأة بشكل فضفاض مع مسام وفيرة، مما يساعد على نقل المحلول الملحي وإطلاق البخار.
علاوة على ذلك، بفضل تأثير التبريد التبخيري، تكون درجة حرارة سطح طبقة الملح أقل من درجة حرارة المحيط. تُمكّن هذه الخاصية المُبخّر من امتصاص طاقة أكبر من البيئة، مما يُحسّن أداء التبخير بشكل أكبر.
المصدر: Deep Tech
مجموعة البحث: مجموعة أبحاث فريق جامعة شاندونغ الطبية الأولى
تم الاستشهاد بالمقال من الرابط التالي: https://www.163.com/dy/article/J1RENDEH05119734.html
للحصول على مزيد من المعلومات حول رغوة الميلامين SINOYQX، يرجى التواصل معنا عبر البريد الإلكتروني [email protected] أو الاتصال بنا صوتيًا على الرقم: +86-28-8411-1861.
بعض الصور والنصوص مُستنسخة من الإنترنت، وحقوق الطبع والنشر محفوظة للمؤلف الأصلي. في حال وجود أي انتهاك، يُرجى التواصل معنا لحذفها.