باعتبارها وسيلة مستدامة لاستغلال موارد المياه، تتمتع تحلية المياه بالطاقة الشمسية بإمكانيات هائلة في حل مشكلة نقص موارد المياه العذبة وتخفيف حدة نقصها. ومع ذلك، غالبًا ما تواجه تقنيات تحلية مياه البحر التقليدية مشاكل مثل ارتفاع استهلاك الطاقة، وتعقيد المعدات، وارتفاع التكلفة.
في السنوات الأخيرة، جذبت تقنيات طلاء تحلية المياه الجديدة، القائمة على مواد نانوية، اهتمام الباحثين تدريجيًا. وقد أظهر الجرافين المُختزل بأكسيد الجرافين، باعتباره مادة جديدة ثنائية الأبعاد، إمكانات كبيرة في تحلية المياه بالطاقة الشمسية.
وبالمقارنة مع مواد طلاء تحلية المياه التقليدية، تتمتع مادة rGO بمزايا التوصيل الممتاز ومساحة السطح النوعية العالية والاستقرار الكيميائي الجيد، ومن المتوقع أن تعمل على تحسين كفاءة تحلية المياه وتقليل استهلاك الطاقة.
مع ذلك، يعاني أكسيد الجرافين المختزل (rGO) نفسه من مشاكل التكتل والترسب، مما يقلل من فعاليته واستقراره. لذا، أصبح تثبيت أكسيد الجرافين المختزل على مواد رغوية لتشكيل طبقة مركبة من رغوة الميلامين /أكسيد الجرافين المختزل طريقة فعالة لتحسين كفاءة تحلية المياه واستقرارها.
من خلال تعديل السطح وتعزيز خصائص الناقل لمادة الرغوة، ثبّتنا rGO بشكل موحد على سطح الرغوة لزيادة مساحة تلامسه مع أيونات الملح في الماء. وفي الوقت نفسه، تم التحكم في بنية وسمك طلاء rGO لتحسين كفاءة واستقرار عملية تحلية المياه.
لفهم آلية تحلية المياه بشكل أعمق، قمنا أيضًا بتحضير رغوة أكسيد الجرافين المختزل (rGO). تتميز رغوة الميلامين المغطاة بثلاثي أكسيد الجرافين ببنية دقيقة مسامية وخواص محبة للماء، مما يسمح لها بتحمل جيد للبلل وجذب الماء إلى منطقة التبخر، مما يسمح بتجديد الماء بسرعة مع تجنب ترسب الملح.
يمكن لنظام التبخير السطحي المصنوع من رغوة الميلامين المطلية بأكسيد الجرافين تحقيق كفاءة تبخير ثابتة تبلغ 89.6% باستخدام وقود شمسي بقدرة 1 كيلوواط/متر مربع. يتميز هذا النظام بكفاءة تحويل عالية للطاقة الشمسية إلى حرارة، واستقرار جيد على المدى الطويل، مما يُظهر إمكاناته لتحلية مياه البحر تجاريًا.
في الوقت الحاضر، تُشكّل أزمة الطاقة العالمية ونقص المياه تهديدًا كبيرًا للتنمية المستدامة للمجتمع البشري. ولتلبية الطلب المتزايد على الطاقة، حظي تطوير تقنيات متنوعة عالية الأداء لتحويل الطاقة وتنقية المياه باهتمام متزايد.
تقنية تبخير الواجهة بالطاقة الشمسية
تُعدّ الطاقة الشمسية مصدرًا واعدًا للطاقة المتجددة، بفضل سعتها الهائلة، وشموليتها، ونظافتها، وقدراتها التحويلية المتعددة الوظائف. وقد أظهرت قدرتها على استبدال الوقود الأحفوري.
بالإضافة إلى أن تقنية الطاقة الشمسية الكهروضوئية تنتج الطاقة الكهربائية مباشرة، فإن تقنية تحويل الطاقة الشمسية الحرارية تمتص أيضًا الطاقة الشمسية وتحولها إلى طاقة حرارية، وهي تعتبر طريقة بسيطة وفعالة للاستفادة من الطاقة الشمسية.
يمكن للطاقة الحرارية المُحوّلة من الطاقة الشمسية أن تُشغّل عمليات صناعية مهمة، مثل محطات الطاقة الحرارية الشمسية، وتحلية المياه بالطاقة الشمسية، والتعقيم، وأنظمة تسخين المياه بالطاقة الشمسية، وغيرها من التطبيقات الحرارية. تُقدّم تحلية المياه بالطاقة الشمسية حلاً فعّالاً، خاصةً في المناطق التي تفتقر إلى البنية التحتية، إذ يُمكنها استخراج المياه العذبة من مياه البحر دون الحاجة إلى طاقة إضافية.
في السنوات الأخيرة، أصبحت تقنية التبخير السطحي الشمسي، التي تُركز عملية تحويل الحرارة الشمسية إلى حرارة عند نقطة التلامس بين السائل والبخار، تقنيةً جديدةً في مجال استغلال الطاقة الشمسية. وبالمقارنة مع أنظمة التدفئة التقليدية المتكاملة، تتميز أنظمة التبخير السطحي بكفاءة تبخير أعلى واستجابة حرارية أسرع، وهي بديلٌ محتمل لتحلية مياه البحر.
حتى الآن، أُجريت العديد من الدراسات حول تحسين الأداء الحراري لأنظمة التبخير السطحي. يتكون نظام التبخير السطحي النموذجي الذي يعمل بالطاقة الشمسية من ثلاثة أجزاء مهمة:
ممتص شمسي يتمتع بقدرة امتصاص عالية للطاقة الشمسية ويحول الإشعاع الشمسي إلى طاقة حرارية بكفاءة؛ وعازل ينقل الحرارة المحولة إلى الماء بالجملة؛ ومسار إمداد بالمياه يسحب الماء بشكل مستمر من الماء بالجملة إلى سطح ممتص الطاقة الشمسية.
في الدراسات السابقة، كرس عدد كبير من الباحثين أنفسهم لتحسين كفاءة تحويل الطاقة الشمسية إلى بخار بشكل عام من خلال تصنيع مواد واسعة النطاق وممتصة للطاقة الشمسية، وتحسين تصميم مسارات إمداد المياه الجديدة، وتحسين هياكل العزل الحراري .
حتى الآن، استُخدمت أنظمة التبخير السطحي بالطاقة الشمسية في العديد من العمليات الصناعية، بما في ذلك التقطير الشمسي المُستحث، والتعقيم الشمسي، وتحلية المياه بالطاقة الشمسية، وتوليد الطاقة الشمسية. لتحقيق أداء تبخير عالي للنظام، من المهم دراسة امتصاص النطاق العريض عبر الطيف الشمسي للمواد الماصة للطاقة الشمسية.
تشمل مواد امتصاص الطاقة الشمسية، التي طُوّرت واستُكشفت في أنظمة التبخير السطحي التي تعمل بالطاقة الشمسية، بشكل رئيسي مواد كربونية، وجسيمات بلازمونية، ومواد امتصاص انتقائية طيفيًا. من بينها، تتميز المواد السوداء الطبيعية والكربونية بقدرات تحويل حرارة شمسية عالية، وهي مناسبة لامتصاص الطاقة الشمسية واسعة النطاق وعالية الكثافة.
بفضل معدل امتصاصها العالي للأشعة الشمسية، وانخفاض تكلفتها، وثباتها الجيد، دُرست العديد من ممتصات الطاقة الشمسية الكربونية، بما في ذلك أنابيب الكربون النانوية، والجرافيت، وأكسيد الجرافين المُختزل. بعد سنوات من التطوير، تجاوزت كفاءة تحويل الطاقة الشمسية إلى بخار في ضوء النهار 90%.
على الرغم من التحسينات الكبيرة في تطوير مواد امتصاص الطاقة الشمسية وتصميم هياكل التبخير البينية، إلا أن معظم أجهزة تحلية المياه بالطاقة الشمسية التي ذُكرت سابقًا كانت ناتجة عن تراكم الملح على السطح العلوي للمبخر أثناء عملية التحلية. يعيق الملح المتراكم امتصاص الطاقة الشمسية ويسد المبخر المسامي، مما يؤدي إلى انخفاض كفاءة تحويل الطاقة الشمسية إلى حرارة وضعف أداء التبخير.
تُستخدم عادةً الطرق الفيزيائية التقليدية مثل الموجات فوق الصوتية وغمر الماء لإزالة الأملاح المتراكمة، ولكن هذه الطرق قد تتسبب بسهولة في إتلاف بنية تبخر الواجهة.
لتقليل تراكم الملح في أنظمة التبخير السطحية، ركزت العديد من الدراسات على تطوير أنظمة التبخير الكارهة للماء. إلا أن المبخرات الكارهة للماء تحد من وصول الماء إلى السطح العلوي، مما يُضعف أداء النظام التبخيري. هناك طريقة أخرى لحل هذه المشكلة تتمثل في استخدام مبخر محب للماء، ينقل الملح الزائد من السطح العلوي إلى الماء.
حتى الآن، ركزت العديد من الدراسات على تصميم مُبخِّرات مُحبَّة للماء، مثل أغشية السليلوز المُحبَّة للماء، والأغشية الورقية المُحبَّة للماء، والمُبخِّرات المُستوحاة من المواد الحيوية. إلا أن تطوير نظام تبخير سطحي مُستقر وعالي الكفاءة يعمل بالطاقة الشمسية لا يزال يُشكِّل تحديًا كبيرًا.
في هذه الدراسة، قمنا بإثبات رغوة أكسيد الجرافين المختزل (rGO) المقاومة للملح والفعالة للغاية في امتصاص الطاقة الشمسية والسريعة الاستجابة للحرارة لتحلية الواجهة التي تعمل بالطاقة الشمسية تحت إضاءة شمسية منخفضة الفلورسنت.
في البنية المسامية الجديدة، تم اختيار رغوة الميلامين المحبة للماء (MF) كقاعدة، والتي لا تعمل فقط على توسيع مساحة السطح لامتصاص الطاقة الشمسية ولكنها تعزز أيضًا التشتت المتعدد.
توفر قابلية السطح المحبة للماء ومسامية رغوة الميلامين المغطاة بأكسيد الجرافين المختزل ترطيبًا واندماجًا كافيين لمنطقة تحويل الحرارة الشمسية، بالإضافة إلى تجديد سريع للمياه، مع تجنب تراكم الأملاح.
بالاستفادة من الأداء العالي لرغوة الميلامين المغطاة بأكسيد الجرافين المختزل، فإن نظام الواجهة الذي يعمل بالطاقة الشمسية قادر على تحقيق معدل تحويل من الطاقة الشمسية إلى بخار بنسبة 89.6%.
علاوة على ذلك، من خلال دمج رغوة الميلامين المغلفة بأكسيد الجرافين المختزل في الطاقة الشمسية التجارية، صممنا وصنعنا جهاز تحلية مياه بحر يعمل بالطاقة الشمسية بكفاءة تحويل طاقة شمسية إلى ماء تبلغ 56.4% تحت ضوء النهار. وبفضل تحلية المياه بالطاقة الشمسية، تُعدّ المياه النظيفة المُجمّعة صالحة للشرب.
بفضل أداء التبخر المتفوق وقابلية التوسع لمواد التحويل من الطاقة الشمسية إلى الطاقة الحرارية، يقدم هذا النظام لتحلية مياه البحر باستخدام الطاقة الشمسية آفاق تطبيق واسعة في التطبيقات العملية لتحلية مياه البحر.
قابلية التوسع في مواد نقل الحرارة لتحلية المياه بالطاقة الشمسية
نظام تبخير واجهة قائم على رغوة الميلامين المغلفة بأكسيد الجرافين المختزل. تقع رغوة الميلامين المغلفة بأكسيد الجرافين الثلاثي في المنتصف، ومغلفة بطبقة من رغوة البولي إيثيلين (PE) من الخارج، مما يُكوّن نظام تبخير واجهة ذاتي الفقاعات.
تُستخدم رغوة الميلامين المغطاة بأكسيد الجرافين المُختزل بالتيلوريوم لامتصاص الإشعاع الشمسي الساقط بسرعة، وتحويل الطاقة الشمسية إلى حرارة، وتوليد قوة دافعة لتبخير السطح. من ناحية أخرى، تستطيع رغوة الميلامين المغطاة بأكسيد الجرافين المُختزل المُحب للماء سحب المحلول الملحي باستمرار إلى منطقة التبخير.
يسمح الهيكل المسامي لرغوة الميلامين المغطاة بثلاثي أكسيد الجرافين للبخار المتولد بالتسرب إلى البيئة، مما يعزز امتصاص أشعة الشمس، وبالتالي زيادة كفاءة تحويل الطاقة الشمسية إلى حرارة. تتميز رغوة الميلامين المغطاة بأكسيد الجرافين المختزل بمساميتها وقدرتها على امتصاص الماء، مما يسمح لها بسحب الماء إلى بنية التبخر الموصوفة أعلاه، وفي الوقت نفسه تفكيك الأملاح المركزة وإعادتها إلى مياه البحر.
أثناء عملية التبخر، يكون تركيز الملح في الرغوة أعلى من تركيزه في مياه البحر في القاع. وتؤدي التغيرات في التركيز إلى تحلل الملح وذوبانه في الماء. إضافةً إلى ذلك، لا تعمل رغوة البولي إيثيلين المحيطة على تقليل رغوة الميلامين المغلفة بأكسيد الجرافين فحسب ، بل تتجمع أيضًا بشكل طبيعي على سطح الماء، مما يمنع فقدان الحرارة الناتج عن مياه البحر المالحة المحيطة.
يمكن لأنظمة التبخير السطحي أن تعمل بكفاءة وبشكل مستمر على أسطح المياه دون الحاجة إلى تصاميم إنشائية معقدة. علاوة على ذلك، بما أن التبخير يحدث عند سطح الغاز والسائل، فإن نظام التبخير السطحي يتحرك تلقائيًا عند تراجع السطح.
رغوة الميلامين المغلفة بأكسيد الجرافين المختزل بالتيلوريوم مُكوّن رئيسي لنظام تبخير الواجهة. غُمرت رغوة الميلامين في مُعلّق غرواني لأكسيد الجرافين لتحضير رغوة ميلامين مُغلفة بأكسيد الجرافين المختزل، ثم اختُزل أكسيد الجرافين إلى أكسيد جرافامين مختزل باستخدام طريقة حرارية مائية.
رغوة الميلامين المغطاة بأكسيد الجرافين المخفض بقطر 3.5 سم وسمك 1.6 سم سهلة التصنيع ولونها أسود غامق.
أظهرت خشونة سطح مادة رغوة الميلامين المطلية بأكسيد الجرافين المُخفَّض، المُلاحَظة باستخدام مجهر بصري ثلاثي الأبعاد، تباينًا في الارتفاع يزيد عن 300 ميكرومتر. ويُعزى خشونة سطح مركبات التحويل الحراري الشمسي بشكل رئيسي إلى البنية المسامية لرغوة الميلامين، كما يُزيد أكسيد الجرافين المُخفَّض المُعَدَّل من خشونة السطح.
تُضخّم خشونة السطح مساحة امتصاص الطاقة الشمسية مع زيادة التشتت المتعدد لأشعة الشمس الساقطة، مما يُحسّن كفاءة تحويل الطاقة الشمسية إلى حرارة في النظام. البنية الدقيقة لرغوة الميلامين المُحضّرة عند تكبيرات مختلفة. يُظهر سطح رغوة الميلامين المُغطّى بأكسيد الجرافين بنية شبكية مُتجعدة ومترابطة.
يتراوح حجم مسام رغوة الميلامين المطلية بـ rGO بين 20 و40 ميكرومترًا. تُسهّل بنية المسام المفتوحة والسطح المتجعد ترسب أكسيد الجرافين. تتميز رغوة الميلامين المطلية بأكسيد الجرافين المُخفّض بقابلية جيدة للبلل بفضل خاصية امتصاص الماء التي تتميز بها رغوة الميلامين المسامية.
بمجرد أن تلامس قطرة ماء سطح رغوة الميلامين المغلفة بأكسيد الجرافين المختزل، تُمتص بالكامل في غضون 0.5 ثانية. يُمكّن السطح المُحب للماء لمركبات أكسيد الجرافين المختزل من توجيه التصريف بسرعة داخل البنية المسامية. حُددت مسامية رغوة الميلامين المغلفة بأكسيد الجرافين المختزل بمقارنة تغيرات الكتلة قبل امتصاص الماء وبعده.
تصل مسامية رغوة الميلامين المغلفة بأكسيد الجرافين إلى 85.55%. يؤثر امتصاص الطاقة الشمسية بواسطة رغوة الميلامين المغلفة بأكسيد الجرافين المخفّض مباشرةً على كفاءة تحويل الطاقة الشمسية إلى حرارة في النظام. لتقييم مقاومة الأملاح، وُضعت رغوة الميلامين المغلفة بأكسيد الجرافين المخفّض في محلول كلوريد الصوديوم (3.5%).
ثم وُضع ٣ غرامات من كلوريد الصوديوم الصلب على السطح العلوي، ووُضعت رغوة الميلامين المطلية بمادة تيرجو بكثافة شمسية قدرها ١ كيلوواط/م٢. تذوب كمية الملح الصلب تدريجيًا بعد ١٢٠ دقيقة.
عندما تسطع أشعة الشمس على السطح العلوي لرغوة الميلامين المغلفة بأكسيد الجرافين المختزل، ترتفع درجة حرارتها بسرعة خلال دقائق، وتبقى عند 35 درجة مئوية طوال عملية التبخر. وبما أن ذوبان الملح يعتمد على درجة الحرارة، فكلما ارتفعت درجة الحرارة، زادت سرعة ذوبان الملح، وبالتالي يمكن إعادة إذابة الحديد الملحي في الماء السطحي.
في رغوة الميلامين المُغطاة بأكسيد الجرافين المُخفَّض، والتي تتميز بمسامات عديدة ذات قدرة امتصاص عالية للماء، تُمكِّنها من توفير إمداد مستمر بالماء إلى السطح العلوي، تنتقل الأملاح من السطح العلوي إلى الطبقة السفلية من الماء. تؤدي تغيرات درجة الحرارة إلى تغيرات في الملوحة بين سطح التبخر العلوي والجسم.
من أجل الحصول على امتصاص واسع النطاق وفعال للطاقة الشمسية، تم تعديل رغوة الميلامين باستخدام رغوة الميلامين المسامية المحبة للماء، وبالتالي زيادة مساحة سطح امتصاص الطاقة الشمسية وزيادة التشتت المتعدد.
يظهر نظام تبخر الواجهة الشمسية القائم على رغوة الميلامين المغطاة بـ rGO استجابة حرارية سريعة عند كثافة طاقة شمسية تبلغ 1 كيلو وات م -2، مما يحقق كفاءة تحويل حراري شمسي في حالة مستقرة تبلغ 89.6%.
وأخيرًا، قمنا بدمج مبخر رغوة الميلامين المغلفة بأكسيد الجرافين المختزل في جهاز تقطير شمسي، والذي يمكنه إنتاج 56.4% من مياه الشرب مع تراكم الملح عند 1 كيلو وات م -2.
ونحن نتصور أن جهاز تحلية المياه الذي يعمل بالطاقة الشمسية يمكن استخدامه في الجزر المعزولة أو في المحيط لجمع مياه الشرب من مياه البحر الوفيرة أو غيرها من موارد المياه المالحة.
خاتمة
رغوة الميلامين المُغطاة بـ rGO لتحلية المياه، كتقنية مبتكرة وفعالة لتحلية المياه بالطاقة الشمسية، تتمتع بإمكانيات وتطبيقات واعدة. فهي لا توفر موارد مياه عذبة موثوقة للمناطق التي تعاني من شح المياه فحسب، بل تُقلل أيضًا من الاعتماد على الطاقة التقليدية، وتُقلل من استهلاك الطاقة والتلوث البيئي.
وستقدم نتائج هذا البحث مساهمة مهمة في حل مشكلة نقص موارد المياه العذبة العالمية وتعزيز تحقيق التنمية المستدامة.
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.