太陽光を利用した界面蒸発（SIE）は、太陽エネルギーを効率的に利用して淡水を生成できることから、淡水不足を緩和する最も有望な技術の一つと考えられています。さらに、太陽光蒸発器は、高濃度の塩水廃水の処理において独自の利点を持っています。蒸発プロセスでは副産物として塩の結晶のみが生成されるため、液体の排出はゼロになります。しかし、蒸発器内に塩が蓄積すると、光の吸収が妨げられ、蒸気の放出に影響を及ぼし、最終的には蒸発器の蒸発性能の低下、あるいは故障につながる可能性があります。
この問題を緩和するために、一部の研究者は「塩循環」戦略を提案しています。これは、溶液に循環経路を設け、塩イオンが塩水に戻るようにすることで、蒸発面での塩の結晶化を防ぎ、継続的かつ安定した蒸発を実現するというものです。しかし、この方法は溶液の塩分濃度を上昇させ、塩の結晶化の問題は依然として避けられません。
もう一つの解決策は「塩析」戦略です。これは、塩が非蒸発領域で優先的に結晶化するように構造を制御することで、塩の結晶化が蒸発性能に与える影響を低減し、塩と淡水の同時回収を実現するというものです。しかしながら、「塩析」戦略は実用化において依然としていくつかの大きな課題に直面しています。
まず、塩水の一次元輸送は吸収能力を制限し、全体的な蒸発速度を大幅に低下させます。次に、塩の結晶化戦略では、塩の結晶を定期的に除去する必要があります。塩の結晶は強力な付着力を持つため、蒸発器表面から自然に剥がれ落ちることは困難です。堆積した塩を適時に除去しないと、蒸発性能は必然的に低下します。さらに、多くの高効率太陽熱蒸発器では、高圧、低真空、高温熱処理など、危険または時間のかかる準備プロセスが必要です。
したがって、液体排出ゼロの淡水化のための簡単な準備プロセスを通じて、長期にわたる効率的で安定した水の蒸発と塩の収集を実現する耐久性のある太陽熱蒸発器を開発することは、達成されていない科学的目標です。
上記の課題を踏まえ、山東第一医学大学の研究チームは、高濃度塩水を効率的に太陽熱蒸発させ、液体排出量ゼロを実現できる3次元勾配グラフェンスパイラルエアロゲル蒸発器を開発しました。
効率的な太陽光吸収、エネルギーの完全利用、優れた耐塩性、長期安定性という点で太陽熱蒸発器に求められる厳しい要件を満たすために、プロジェクト設計では主に次の 4 つの重要なポイントに重点を置いています。
構造設計と化学的安定性の向上に焦点を当てる
蒸発器には強固なネットワーク構造と化学的安定性が必要であり、これは長期的かつ効率的で安定した太陽光海水淡水化を実現するために不可欠である。そのため、彼らは低コストで超親水性、高多孔性、高弾性のメラミンフォームを太陽光蒸発器の支持骨格として選択した。
次に、メラミンフォームを骨格とするグラフェンエアロゲルの機械的性質を、圧縮、曲げ、引張など複数のモードで研究し、その機械的性質を総合的に評価しました。
実際の使用条件下での堅牢性と耐久性をさらに検証するために、研究チームはさまざまな過酷な条件下でテストを実施しました。
具体的には、試料を空気中と水中で20回繰り返し曲げたり、酸性溶液やアルカリ性溶液に浸したり、高温や超音波攪拌などの過酷な環境に置いたりした。
これらの厳格なテストの後、サンプルの外観と微細構造に大きな変化は見られず、優れた耐久性と構造安定性が十分に実証されました。
製造プロセスの簡素化と経済性の向上に重点を置く
蒸発器の製造プロセスの簡素化と経済性を実現し、高価な機器の使用を回避するために、次の準備手順を設計しました。
最初のステップはホットプレスです
研究チームは、ホットプレス技術を使用して、さまざまな厚さのメラミンフォームを圧縮し、厚さ1mmのプレプレスメラミンフィルムを得ました。
このプロセスにおいて、試料の元の厚さと最終的な圧縮厚さの比率が増加するにつれて、予備圧縮されたメラミンフィルムの細孔サイズは150μmから20μmまで精密に制御され、独自の三次元勾配ネットワーク構造が形成される。
2番目のステップは表面散布です
スプレーボトルを用いて、グラフェン酸化物懸濁液をプレス済みのメラミンフィルムの表面に均一に噴霧する。これにより、フィルム中にグラフェン酸化物が均一に分布し、その後の太陽光還元反応の基礎が築かれた。
3番目のステップは大気圧乾燥です
スプレー塗布後、フィルムを直接空気中に放置し、自然乾燥させました。この工程により、凍結乾燥、超臨界乾燥、溶媒置換といった複雑で時間とエネルギーを消費する準備工程を省くことができました。
4番目のステップは日光の減少です
つまり、拡大鏡を使って太陽光をサンプルに集光します。紫外線の作用により、サンプル表面の色が茶色から黒色へと急速に変化し、酸化グラフェンが還元酸化グラフェンに還元されたことが示されます。
この太陽光還元法は、操作が簡単で環境に優しいだけでなく、化学還元剤や高温熱還元プロセスを使用する必要がないため、生産コストと環境汚染を大幅に削減します。
効率的な太陽エネルギーの吸収とエネルギー損失の最小化に焦点を当てる
太陽熱蒸発装置は、広範囲の太陽エネルギーを吸収して熱エネルギーに変換するだけでなく、拡散反射や熱放射によるエネルギー損失を最小限に抑え、環境から追加のエネルギーを捕捉する必要があります。太陽熱界面における蒸発プロセスは、太陽エネルギーの入力、蒸発エネルギーの出力、そして環境へのエネルギー散逸という3つのエネルギー流束によって制御されます。
残念ながら、従来の二次元太陽熱蒸発装置は、周囲環境との熱交換によるエネルギー散逸の問題を抱えており、理想的な100%の太陽光蒸気変換効率を達成することは困難です。一方、三次元太陽熱蒸発装置は、太陽光蒸気変換効率の理論限界を突破することができます。
3次元サンプルの上面での拡散反射と熱放射によるエネルギー損失を減らすために、研究チームは3次元らせん状の凹型グラフェンエアロゲルを設計しました。
この構造は、吸収率が高く反射率が低いだけでなく、側壁が周囲の熱や底部から拡散反射した熱を吸収できるため、効果的なエネルギー回収が可能になります。
耐塩性の最適化と塩の結晶化管理に焦点を当てる
つまり、独自の輸送経路を設計することで、塩水の放射状輸送が促進され、塩の方向性結晶化が促進されます。この設計は、蒸発器表面への塩の堆積や目詰まりを効果的に防止するだけでなく、塩の効率的な回収と利用を実現し、淡水化プロセスの効率と持続可能性を大幅に向上させます。
具体的には、彼らは予めプレス成形したメラミン多孔質フィルムをベースとした三次元勾配グラフェンネットワーク構造を設計・作製した。この勾配グラフェンネットワークは、内部が疎で外部が密な構造となっており、放射状の毛細管力差を生み出すことで、塩水の放射状輸送を促進する。蒸気が発生し続けると、塩水の放射状流によって外表面領域の塩水濃度が上昇し、塩が内表面ではなく外表面で方向性を持って結晶化する。この設計により、蒸発器の内表面が十分な蒸発面積を維持できるため、効率的かつ安定した太陽光蒸発を実現できる。
注目すべきは、蒸発器は塩の結晶化にその外表面全体を使用するため、他の方向性結晶化蒸発器に比べて結晶化面積がはるかに広くなることです。
塩の結晶は主に、塩水の輸送と蒸気の放出に役立つ、豊富な細孔を持つ緩く詰まった塩の結晶で構成されています。
さらに、蒸発冷却効果により、塩層の表面温度は周囲温度よりも低くなります。この特性により、蒸発器は環境からより多くのエネルギーを吸収することができ、蒸発性能がさらに向上します。
記事元: Deep Tech
研究グループ：山東第一医学大学チーム研究グループ
この記事は以下のURLから引用されています：https://www.163.com/dy/article/J1RENDEH05119734.html
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