پژوهش های کاربردی مهندسی شیمی - پلیمر
فصلنامه علمی - پژوهشی

ارتقای عملکرد سیستم خورشیدی نمک زدایی آب مبتنی بر جاذب گرافیت با استفاده از نانوذرات پلاسمونیک نیکل و مهندسی ساختار

نوع مقاله : پژوهشی کیفی

نویسندگان

فرزانه زینب حشمتی 1
وحید احمدی 2
سید مجتبی صدرعاملی 3

1 دانشجوی دکتری، گروه مهندسی فرایند، دانشکده مهندسی شیمی، دانشگاه تربیت مدرس، تهران، ایران.

2 گروه پژوهشی اپتوالکترونیک و نانوفوتونیک، دانشگاه تربیت مدرس، تهران، ایران

3 دانشکده فنی و مهندسی، دانشگاه صنعتی آلمان در عمان، مسقط، عمان.

چکیده
موضوع تحقیق: با توجه به شرایط رو به وخامت محیط­زیست و به طور خاص جهانی که با کمبود انرژی و آب تمیز روبرو است، ویژگی­های سیستم خورشیدی تولید بخار از جمله عدم انتشار کربن­دی­اکسید، مصرف انرژی پایین و بازده بالا برای نمکزدایی آب دریا کمک بزرگی به تامین نیاز بشر می­کند. در سیستم‌های مدرن نمک زدایی خورشیدی، انرژی خورشیدی توسط یک جاذب فوترترمال دریافت و سپس به انرژی حرارتی تبدیل می‌شود تا حجم مشخصی از آب را گرم کرده و بخار تولید کند؛ بخار تولید شده به سطح داخلی پوشش که سردتر است برخورد کرده، متراکم شده و آب تمیز در مخزن جمع می­شود. سیستم‌ خورشیدی تولید بخار باید دارای پنج ویژگی مهم و اساسی، شامل جذب نور زیاد، اتلاف حرارتی اندک، متمرکزسازی گرما، انتقال مناسب آب و در نهایت قابلیت شناوری بر سطح آب باشد.

روش تحقیق: در پژوهش پیش­رو سیستم خورشیدی تولید بخار مبتنی بر جاذب گرافیت ساخته شده و عملکرد آن با استفاده از نانوذرات پلاسمونیک نیکل ارتقا داده شده­ است. بمنظور بررسی اثر ساختار دو زیرلایه برای جاذب فتوترمال ساخته شد که شامل یک فوم پلی­یورتان (PU) تخلخل بسته به عنوان عایق حرارتی و یکی از دو نوع نمد متفاوت از جنس پنبه یا پلی­استر به عنوان لایه انتقال دهنده آب دور فوم PU پیچیده شده است. در این مطالعه مهم­ترین پارامترها از جمله نرخ تبخیر آب، دمای سطح نمونه و بازده سیستم اندازه­گیری شده­اند.

نتایج اصلی: بازده حرارتی و نرخ تبخیر برای جاذب گرافیتی خالص به ترتیب 17/68 % و kg/m2.h97/0 است که با اضافه کردن نانوذرات نیکل به آن، به ترتیب تا مقدار 57/93 % و kg/m2.h 37/1 افزایش یافته است. اهمیت مهندسی ساختار با استفاده از دو زیرلایه متفاوت با جاذب آب پنبه­ای یا پلی­ استری بررسی و متناسب با شرایط جاذب فتوترمال و موازنه جرم و انرژی، مناسب­ترین زیر لایه همراه با انتقال دهنده آب پلی­استری برای جاذب فوتوترمال گرافیت/نیکل، انتخاب شد.

کلیدواژه‌ها

نمکزدایی آب دریا
سیستم خورشیدی تولید بخار
پلاسمونیک
نانوذرات گرافیت و نیکل

موضوعات

عنوان مقاله English

Improving the performance of graphite-based solar water desalination system by using plasmonic nickel nanoparticles and engineering the structure

نویسندگان English

Farzaneh Zeynab Heshmati 1
Vahid Ahmadi 2
Seyed Mojtaba Sadrameli 3
1 Ph.D. candidate, Process Engineering Department, Faculty of Chemical Engineering, Tarbiat Modares University, Tehran, Iran
2 Optoelectronics and Nanophotonics Research Group, Tarbiat Modares University, Tehran, Iran.
3 Department of Engineering, German University of Technology in Oman, Muscat, Oman.
چکیده English

Research Subject: Because of the constant deterioration of environmental conditions, the world faces energy and clean water shortage. To address the water crisis issue, the solar steam generation system has been considered as a suitable technology for seawater desalination due to its competitive features, such as no carbon dioxide emission, low energy consumption, and high efficiency. In modern solar steam generation systems, solar energy is harvested by a photothermal absorber and then converted into thermal energy to heat a certain volume of water and produce steam. Then, the generated steam condenses on the inner surface of the cover, and clean water is collected. The five key features required for solar steam generation system are: high light absorption, low heat losses and heat localization, proper water transfer, and the ability to float on the water surface.

Research Methods: In this study, a solar steam generation system based on a graphite absorber layer is built, and its performance is improved using nickel plasmonic nanoparticles.

In order to investigate the dependency of the performance on the structure, two different layers including cotton and polyester felts are used to transfer water controllable. In this study, the water evaporation rate, surface temperature, and efficiency of the devices are evaluated.

Main Results: Thermal efficiency and evaporation rate for the system based on the pure graphite absorber is 68.17% and 0.97 kg/m2.h, which increases to 93.57% and 1.37 kg/m2.h, respectively by adding nickel nanoparticles. Using two cotton and PS water managers reveals the importance of the thermal energy and mass transfer balancing in the systems, which strongly affects the devices performance.

کلیدواژه‌ها English

Water Desalination
Solar Steam Generation
Plasmonic
Graphite
and Nickel NPs
[1] L. Zhou et al., “3D self-assembly of aluminium nanoparticles for plasmon-enhanced solar desalination,” Nat. Photonics, vol. 10, no. 6, pp. 393–398, 2016, doi: 10.1038/nphoton.2016.75.
[2] P. Yang et al., “Solar-driven simultaneous steam production and electricity generation from salinity,” Energy Environ. Sci., vol. 10, no. 9, pp. 1923–1927, 2017, doi: 10.1039/c7ee01804e.
[3] K. Bae, G. Kang, S. K. Cho, W. Park, K. Kim, and W. J. Padilla, “Flexible thin-film black gold membranes with ultrabroadband plasmonic nanofocusing for efficient solar vapour generation,” Nat. Commun., vol. 6, pp. 1–9, 2015, doi: 10.1038/ncomms10103.
[4] H. Ghasemi et al., “Solar steam generation by heat localization,” Nat. Commun., vol. 5, pp. 1–7, 2014, doi: 10.1038/ncomms5449.
[5] Y. Liu et al., “A bioinspired, reusable, paper-based system for high-performance large-scale evaporation,” Adv. Mater., vol. 27, no. 17, pp. 2768–2774, 2015, doi: 10.1002/adma.201500135.
[6] L. Zhang, B. Tang, J. Wu, R. Li, and P. Wang, “Hydrophobic Light-to-Heat Conversion Membranes with Self-Healing Ability for Interfacial Solar Heating,” Adv. Mater., vol. 27, no. 33, pp. 4889–4894, 2015, doi: 10.1002/adma.201502362.
[7] M. S. Zielinski et al., “Hollow Mesoporous Plasmonic Nanoshells for Enhanced Solar Vapor Generation,” Nano Lett., vol. 16, no. 4, pp. 2159–2167, 2016, doi: 10.1021/acs.nanolett.5b03901.
[8] M. Gao, L. Zhu, C. K. Peh, and G. W. Ho, “Solar absorber material and system designs for photothermal water vaporization towards clean water and energy production,” Energy Environ. Sci., vol. 12, no. 3, pp. 841–864, 2019, doi: 10.1039/c8ee01146j.
[9] P. Wang, “Emerging investigator series: The rise of nano-enabled photothermal materials for water evaporation and clean water production by sunlight,” Environ. Sci. Nano, vol. 5, no. 5, pp. 1078–1089, 2018, doi: 10.1039/c8en00156a.
[10] S. Karami, F. A. Roghabadi, M. Maleki, V. Ahmadi, and S. M. Sadrameli, “Materials and structures engineering of sun-light absorbers for efficient direct solar steam generation,” Sol. Energy, vol. 225, pp. 747–772, 2021.
[11] Y. Wang et al., “Stable, Cost-Effective TiN-Based Plasmonic Nanocomposites with over 99% Solar Steam Generation Efficiency,” Adv. Funct. Mater., p. 2212301, 2023.
[12] B. S. Joo, I. S. Kim, I. K. Han, H. Ko, J. G. Kang, and G. Kang, “Plasmonic silicon nanowires for enhanced heat localization and interfacial solar steam generation,” Appl. Surf. Sci., vol. 583, p. 152563, 2022.
[13] I. Ibrahim, D. H. Seo, A. M. McDonagh, H. K. Shon, and L. Tijing, “Semiconductor photothermal materials enabling efficient solar steam generation toward desalination and wastewater treatment,” Desalination, vol. 500, p. 114853, 2021.
[14] K. W. Tan, C. M. Yap, Z. Zheng, C. Y. Haw, P. S. Khiew, and W. S. Chiu, “State-of-the-Art Advances, Development, and Challenges of Metal Oxide Semiconductor Nanomaterials for Photothermal Solar Steam Generation,” Adv. Sustain. Syst., vol. 6, no. 4, p. 2100416, 2022.
[15] T. Murakami et al., “Photodynamic and photothermal effects of semiconducting and metallic-enriched single-walled carbon nanotubes,” J. Am. Chem. Soc., vol. 134, no. 43, pp. 17862–17865, 2012, doi: 10.1021/ja3079972.
[16] S. Karami, F. Arabpour Roghabadi, F. Pashaei Soorbaghi, V. Ahmadi, and S. M. Sadrameli, “Highly Efficient Solar Steam Generators Based on Multicore@ Shell Nanostructured Aerogels of Carbon and Silica as the Light Absorber- Heat Insulator,” Sol. RRL, vol. 5, no. 7, p. 2100048, 2021.
[17] M. Maleki, F. Arabpour Roghabadi, and S. M. Sadrameli, “High-Performance Solar Steam Generator Using Low-Cost Biomass Waste Photothermal Material and Engineering of the Structure,” ACS omega, vol. 7, no. 44, pp. 39895–39906, 2022.
[18] Y. Xu et al., “Easily scaled-up photo-thermal membrane with structure-dependent auto-cleaning feature for high-efficient solar desalination,” J. Memb. Sci., vol. 586, pp. 222–230, 2019, doi: 10.1016/j.memsci.2019.05.068.
[19] H. Chen, S.-L. Wu, H.-L. Wang, Q.-Y. Wu, and H.-C. Yang, “Photothermal devices for sustainable uses beyond desalination,” Adv. Energy Sustain. Res., vol. 2, no. 3, p. 2000056, 2021.
[20] A. Mittal, R. Brajpuriya, and R. Gupta, “Solar Steam Generation Using Hybrid Nanomaterials to Address Global Environmental Water Pollution and Shortage Crisis,” Mater. Today Sustain., p. 100319, 2023.
[21] G. Ni et al., “Volumetric solar heating of nanofluids for direct vapor generation,” Nano Energy, vol. 17, pp. 290–301, 2015, doi: 10.1016/j.nanoen.2015.08.021.
[22] X. Li et al., “Measuring Conversion Efficiency of Solar Vapor Generation,” Joule, vol. 3, no. 8, pp. 1798–1803, 2019, doi: 10.1016/j.joule.2019.06.009.
[23] H. M. Wilson, D. J. Ahirrao, S. Raheman Ar, and N. Jha, “Biomass-derived porous carbon for excellent low intensity solar steam generation and seawater desalination,” Sol. Energy Mater. Sol. Cells, vol. 215, p. 110604, 2020, doi: https://doi.org/10.1016/j.solmat.2020.110604.
[24] J. C. A. Menezes, N. S. Ferreira, L. G. Abraçado, and M. A. Macêdo, “Synthesis and characterization of nickel nanoparticles prepared using the aquolif approach,” J. Nanosci. Nanotechnol., vol. 14, no. 8, pp. 5903–5910, 2014, doi: 10.1166/jnn.2014.8727.
[25] M. Maleki, F. Arabpour Roghabadi, and S. M. Sadrameli, “Solar water desalination using single-layer solar steam generation systems,” J. Energy Manag. Technol., vol. 6, no. 4, pp. 241–246, 2022.
[26] J. Theerthagiri, R. Sudha, K. Premnath, P. Arunachalam, J. Madhavan, and A. M. Al-Mayouf, “Growth of iron diselenide nanorods on graphene oxide nanosheets as advanced electrocatalyst for hydrogen evolution reaction,” Int. J. Hydrogen Energy, vol. 42, no. 18, pp. 13020–13030, 2017, doi: 10.1016/j.ijhydene.2017.04.042.
[27] H. Gong, X. Liu, G. Liu, Z. Lin, X. Yu, and L. Zhou, “Non-noble metal based broadband photothermal absorbers for cost effective interfacial solar thermal conversion,” vol. 9, no. 6, pp. 1539–1546, 2020.
[28] C. Kim, Y. Ryu, D. Shin, A. M. Urbas, and K. Kim, “Efficient solar steam generation by using metal-versatile hierarchical nanostructures for nickel and gold with aerogel insulator,” Appl. Surf. Sci., vol. 517, no. November 2019, p. 146177, 2020, doi: 10.1016/j.apsusc.2020.146177.
[29] Z. Deng et al., “The emergence of solar thermal utilization: Solar-driven steam generation,” J. Mater. Chem. A, vol. 5, no. 17, pp. 7691–7709, 2017, doi: 10.1039/c7ta01361b.

صفحه اصلی

راهنمای نویسندگان

ارسال مقاله

داوران

تماس با ما