پژوهش های کاربردی مهندسی شیمی - پلیمر
فصلنامه علمی - پژوهشی

نمک‌زدایی آب با استفاده از سامانه‌های تولید بخار خورشیدی برپایه لایه فوتوترمال گرافیتی

نوع مقاله : پژوهشی اصیل

نویسندگان

محمود ملکی 1
فرزانه عرب پور رق آبادی 2
سید مجتبی صدرعاملی 3

1 گروه فرآیند، دانشکده مهندسی شیمی، دانشگاه تربیت مدرس، تهران، ایران

2 1-استادیار، گروه فرایند، دانشکده مهندسی شیمی، دانشگاه تربیت مدرس، تهران، ایران 2-استادیار، گروه پژوهشی اپتواکترونیک و نانوفوتونیک، دانشگاه تربیت مدرس، تهران، ایران

3 استاد، گروه فرآیند، دانشکده مهندسی شیمی، دانشگاه تربیت مدرس، تهران، ایران

چکیده
موضوع تحقیق: انرژی خورشیدی یک منبع تجدید پذیر بوده که به میزان فراوان موجود است و می‌تواند بسیاری از معضلات کمبود انرژی را برطرف کند. به‌منظور استفاده از انرژی خورشید برای نمک‌زدایی آب و تولید بخار باکیفیت بالا یکی از ساختارهای پیشنهادی ارزان‌قیمت که قابلیت تجاری شدن را دارد، سامانه‌های تولید بخار خورشیدی شناور بر روی آب است. در این سامانه، آب به‌صورت کنترل‌شده به سطح سامانه منتقل‌شده و با استفاده از گرمای تولیدشده در لایه جاذب نور به بخار تبدیل می‌گردد. مطالعات نشان می‌دهد چهار چالش اصلی در سامانه‌های تولید بخار خورشیدی وجود دارد که باید در تحقیقات برطرف گردد. این چالش‌ها شامل مدیریت و جلوگیری از اتلاف‌های حرارتی، استحکام و پایداری ساختار، مدیریت و انتقال آب درون ساختار، جذب نور و تبدیل نور به گرما است.



روش تحقیق: در این مقاله سامانه‌های تولید بخار خورشیدی چندلایه شناور ساخته‌شده است که در آن‌ها از فوم پلی­یورتان تخلخل بسته به‌عنوان لایه عایق حرارتی و زیرلایه اصلی، نمد به‌عنوان لایه انتقال‌دهنده آب و مواد فوتوترمال مختلف شامل گرافیت، طلا و مخلوط گرافیت و طلا به‌عنوان لایه جاذب نور برای تولید بخار باکیفیت بالا استفاده‌شده است. همچنین به منظور تعیین نرخ تبخیر آب و راندمان سامانه ها، میزان تغییرات جرم آب و دمای سامانه اندازه گیری شده است.

نتایج اصلی: نتایج به‌دست‌آمده نشان می‌دهد در بین سامانه‌های تولید بخار خورشیدی موردمطالعه، در بهینه‌ترین حالت سامانه ساخته‌شده از جاذب مخلوط گرافیت و طلا قادر به تولید بخار با نرخ kg.m-2.h-1 1/257 است. این نرخ معادل باراندمان حدوداً 82 % است. همچنین نتایج آزمایش پایداری نشان داد که تغییرات نرخ تبخیر بعد از 30 مرتبه تکرار ناچیز بوده و سامانه ساخته‌شده از پایداری خوبی برخوردار است. درنهایت عملکرد بهینه‌ترین سامانه‌ در شرایط واقعی­ آب‌شور دریا بررسی شد. نتایج نشان داد که نرخ تبخیر آب‌شور دریا به کمک سامانه تولید بخار خورشیدی با جاذب مخلوط گرافیت و طلا، kg.m-2.h-1 1/201 و راندمان آن 78/4 % است.

کلیدواژه‌ها

تولید بخار خورشیدی
نمک زدایی آب حرارتی
تبخیر سطحی خورشیدی
جاذب طلا
مواد فوتوترمال

موضوعات

عنوان مقاله English

Water desalination using solar steam generation systems based on graphite photothermal material

نویسندگان English

mahmoud maleki 1
Farzaneh Arabpour Roghabadi 2
Seyed Mojtaba Sadrameli 3
1 Process Engineering Department, Faculty of Chemical Engineering, Tarbiat Modares University, Tehran, Iran
2 1-Process Engineering Department, Faculty of Chemical Engineering, Tarbiat Modares University, Tehran, Iran2- Optoelectronics and Nanophotonics Research Group, Faculty of Electrical and Computer Engineering, Tarbiat Modares University, Tehran, Iran
3 Process Engineering Department, Faculty of Chemical Engineering, Tarbiat Modares University, Tehran, Iran
چکیده English

Research subject: Solar energy is a renewable resource that is abundant and can solve many problems of energy shortage. In order to use solar energy to desalinate water and produce high quality steam, one of the cheap and commercially proposed structures is floating solar steam generation system. In this system, water is transferred to the surface of the system in a controlled manner and is converted to steam using the heat generated in the photothermal layer. There are generally four main challenges in solar steam generation systems. These challenges include managing and preventing heat loss, structural strength, managing and transferring water within the structure, absorbing light and converting light into heat.

Research approach: In this paper, floating multilayer solar steam generation systems were fabricated in which porous polyurethane foam was used as the substrate and thermal insulation layer. Moreover, felt was used as the water-transfer layer. Photothermal materials including graphite, gold, and mixtures of graphite and gold were used as the light-absorbing layers to produce high-quality steam. Also, in order to determine the water evaporation rate and the efficiency of the systems, the amount of changes in water mass and system temperature has been measured.

Main results: Among the different solar steam generation systems studied, the system made of graphite-gold mixture absorber is able to produce steam at a rate of 1.257 kg.m-2.h-1. This rate is equivalent to an efficiency of about 82%. To evaluate the performance of the systems in more real situation, they were tested using seawater. As resulted, the rate of evaporation of seawater by the graphite-gold mixture system is 1.201 Kg.m-2.h-1 and its efficiency is 78.4%.

کلیدواژه‌ها English

Solar Steam Generation
Thermal Water Desalination
Interfacial Solar Evaporation
Gold Absorber
Photothermal Materials
[1] Wang, Z., Han, M., He, F., Peng, S., Darling, S. B., Li, Y. 2020. Versatile coating with multifunctional performance for solar steam generation. Nano Energy. 74:104886.
[2] Chen, B., Han, M. Y., Peng, K., Zhou, S. L., Shao, L., Wu, X. F., Wei, W. D., Liu, S. Y., Li, Z., Li, J. S., Chen, G. Q. 2018. Global land-water nexus: Agricultural land and freshwater use embodied in worldwide supply chains. Sci. Total Environ. 613–614:931–943.
[3] Alvarez, P. J. J., Chan, C. K., Elimelech, M., Halas, N. J., Villagrán, D. 2018. Emerging opportunities for nanotechnology to enhance water security. Nat. Nanotechnol. 13:634–641.
[4] Cai, W., Mu, X., Pan, Y., Li, Z., Wang, J., Zhou, X., Guo, W., Hu, W., Song, L., Hu, Y. 2020. Black Phosphorous Nanosheets: A Novel Solar Vapor Generator. Sol. RRL. 4:1900537.
[5] Liu, P.-F., Miao, L., Deng, Z., Zhou, J., Su, H., Sun, L., Tanemura, S., Cao, W., Jiang, F., Zhao, L.-D. 2018. A mimetic transpiration system for record high conversion efficiency in solar steam generator under one-sun. Mater. Today Energy. 8:166–173.
[6] Liu, K. K., Jiang, Q., Tadepalli, S., Raliya, R., Biswas, P., Naik, R. R., Singamaneni, S. 2017. Wood–Graphene Oxide Composite for Highly Efficient Solar Steam Generation and Desalination. ACS Appl. Mater. Interfaces. 9:7675–7681.
[7] Shao, Y., Tang, J., Li, N., Sun, T., Yang, L., Chen, D., Zhi, H., Wang, D., Liu, H., Xue, G. 2020. Designing a bioinspired synthetic tree by unidirectional freezing for simultaneous solar steam generation and salt collection. EcoMat. 2:1–8.
[8] Bai, H., Zhao, T., Cao, M. 2020. Interfacial solar evaporation for water production: From structure design to reliable performance. Mol. Syst. Des. Eng. 5:419–432.
[9] Liu, F., Lai, Y., Zhao, B., Bradley, R., Wu, W. 2019. Photothermal materials for efficient solar powered steam generation. Front. Chem. Sci. Eng. 13:636–653.
[10] Wang, Z., Yan, Y., Shen, X., Jin, C., Sun, Q., Li, H. 2019. A wood-polypyrrole composite as a photothermal conversion device for solar evaporation enhancement. J. Mater. Chem. A. 7:20706–20712.
[11] Zhang, C., Liang, H., Xu, Z., Wang, Z. 2019. Harnessing Solar‐Driven Photothermal Effect toward the Water–Energy Nexus. Adv. Sci. 6:1900883.
[12] Thirugnanasambandam, M., Iniyan, S., Goic, R. 2010. A review of solar thermal technologies. Renew. Sustain. Energy Rev. 14:312–322.
[13] Wang, M., Wang, P., Zhang, J., Li, C., Jin, Y. 2019. A Ternary Pt/Au/TiO 2 -Decorated Plasmonic Wood Carbon for High-Efficiency Interfacial Solar Steam Generation and Photodegradation of Tetracycline. ChemSusChem. 12:467–472.
[14] Liu, C., Huang, J., Hsiung, C., Tian, Y., Wang, J., Han, Y., Fratalocchi, A. 2017. High-Performance Large-Scale Solar Steam Generation with Nanolayers of Reusable Biomimetic Nanoparticles. Adv. Sustain. Syst. 1:1600013.
[15] Zhao, F., Zhou, X., Shi, Y., Qian, X., Alexander, M., Zhao, X., Mendez, S., Yang, R., Qu, L., Yu, G. 2018. Highly efficient solar vapour generation via hierarchically nanostructured gels. Nat. Nanotechnol. 13:489–495.
[16] Shi, L., Wang, Y., Zhang, L., Wang, P. 2017. Rational design of a bi-layered reduced graphene oxide film on polystyrene foam for solar-driven interfacial water evaporation. J. Mater. Chem. A. 5:16212–16219.
[17] Guo, D., Yang, X. 2019. Highly efficient solar steam generation of low cost TiN/bio-carbon foam. Sci. China Mater. 62:711–718.
[18] Xu, J., Wang, Z., Chang, C., Fu, B., Tao, P., Song, C., Shang, W., Deng, T. 2020. Solar-driven interfacial desalination for simultaneous freshwater and salt generation. Desalination. 484:114423.
[19] Zhang, P., Liao, Q., Yao, H., Cheng, H., Huang, Y., Yang, C., Jiang, L., Qu, L. 2018. Three-dimensional water evaporation on a macroporous vertically aligned graphene pillar array under one sun. J. Mater. Chem. A. 6:15303–15309.
[20] Shan, X., Zhao, A., Lin, Y., Hu, Y., Di, Y., Liu, C., Gan, Z. 2020. Low‐Cost, Scalable, and Reusable Photothermal Layers for Highly Efficient Solar Steam Generation and Versatile Energy Conversion. Adv. Sustain. Syst. 4:1900153.
[21] Ghasemi, H., Ni, G., Marconnet, A. M., Loomis, J., Yerci, S., Miljkovic, N., Chen, G. 2014. Solar steam generation by heat localization. Nat. Commun. 5:4449.
[22] Wu, X., Gao, T., Han, C., Xu, J., Owens, G., Xu, H. 2019. A photothermal reservoir for highly efficient solar steam generation without bulk water. c. 64:1625–1633.
[23] Karami, S., Arabpour Roghabadi, F., Maleki, M., Ahmadi, V., Sadrameli, S. M. 2021. Materials and structures engineering of sun-light absorbers for efficient direct solar steam generation. Sol. Energy. 225:747–772.

صفحه اصلی

راهنمای نویسندگان

ارسال مقاله

داوران

تماس با ما