उच्च सांद्रता वाले नमकीन पानी के विलवणीकरण के लिए ग्रेडिएंट ग्राफीन एरोजेल इवेपोरेटर तैयार करने के लिए मेलामाइन फोम का उपयोग कैसे करें?

सौर ऊर्जा से संचालित अंतरागर्भीय वाष्पीकरण (एसआईई) को ताजे पानी की कमी को दूर करने के लिए सबसे आशाजनक तकनीकों में से एक माना जाता है, क्योंकि यह ताजे पानी के उत्पादन के लिए सौर ऊर्जा का कुशलतापूर्वक उपयोग करने में सक्षम है। इसके अलावा, सौर वाष्पीकरण यंत्रों में सांद्रित खारे अपशिष्ट जल के उपचार में अद्वितीय लाभ हैं । वाष्पीकरण प्रक्रिया में केवल नमक के क्रिस्टल उप-उत्पाद के रूप में उत्पन्न होते हैं, जिससे तरल का कोई निर्वहन नहीं होता है। हालांकि, वाष्पीकरण यंत्र में नमक का संचय प्रकाश के अवशोषण में बाधा डालता है और भाप के निकलने को प्रभावित करता है, जिससे अंततः वाष्पीकरण यंत्र की क्षमता में कमी आती है या वह पूरी तरह से विफल भी हो सकता है।

इस समस्या को कम करने के लिए, कुछ शोधकर्ताओं ने "नमक परिसंचरण" रणनीति का प्रस्ताव दिया है। यानी, नमक आयनों को वापस नमकीन पानी में प्रवाहित करने के लिए घोल के लिए एक परिसंचरण पथ बनाया गया है, जिससे नमक वाष्पीकरण सतह पर क्रिस्टलीकृत होने से रोका जा सके, जिससे निरंतर और स्थिर वाष्पीकरण प्राप्त हो सके। हालाँकि, इस विधि से घोल की लवणता बढ़ जाएगी, और नमक क्रिस्टलीकरण की समस्या अभी भी अपरिहार्य है।

दूसरा समाधान "नमकीन बनाना" रणनीति है। यानी, संरचना को इस तरह से विनियमित किया जाता है कि नमक को गैर-वाष्पीकरण क्षेत्र में अधिमानतः क्रिस्टलीकृत किया जाता है, जिससे वाष्पीकरण प्रदर्शन पर नमक के क्रिस्टलीकरण के प्रभाव को कम किया जाता है, जिससे नमक और ताजे पानी का एक साथ संग्रह प्राप्त होता है। हालाँकि, "नमकीन बनाना" रणनीति अभी भी व्यावहारिक अनुप्रयोग में कुछ गंभीर चुनौतियों का सामना करती है।

सबसे पहले, एक-आयामी नमकीन पानी का परिवहन अवशोषण क्षमता को सीमित करता है, जिससे समग्र वाष्पीकरण दर में उल्लेखनीय कमी आती है। दूसरे, नमक क्रिस्टलीकरण रणनीति के लिए नमक क्रिस्टल को नियमित रूप से हटाने की आवश्यकता होती है, जो अपने मजबूत आसंजन के कारण वाष्पीकरणकर्ता की सतह से स्वचालित रूप से गिरना मुश्किल होता है। यदि जमा नमक को समय पर नहीं हटाया जाता है, तो वाष्पीकरण प्रदर्शन अनिवार्य रूप से कम हो जाएगा। इसके अलावा, कई उच्च दक्षता वाले सौर वाष्पीकरणकर्ताओं को खतरनाक या समय लेने वाली तैयारी प्रक्रियाओं की आवश्यकता होती है, जैसे उच्च दबाव, कम वैक्यूम या उच्च तापमान वाले ताप उपचार।

इसलिए, शून्य तरल निर्वहन विलवणीकरण के लिए एक सरल तैयारी प्रक्रिया के माध्यम से दीर्घकालिक, कुशल और स्थिर जल वाष्पीकरण और नमक संग्रह को प्राप्त करने के लिए एक टिकाऊ सौर बाष्पित्र विकसित करना एक अप्राप्य वैज्ञानिक लक्ष्य है।

उपरोक्त चुनौतियों के आधार पर, शेडोंग फर्स्ट मेडिकल यूनिवर्सिटी की शोध टीम ने एक त्रि-आयामी ग्रेडिएंट ग्राफीन सर्पिल एयरोजेल बाष्पीकरण तैयार किया, जो उच्च सांद्रता वाले खारे पानी के कुशल सौर वाष्पीकरण को प्राप्त कर सकता है और शून्य तरल निर्वहन प्राप्त कर सकता है।

कुशल सौर अवशोषण, पूर्ण ऊर्जा उपयोग, उत्कृष्ट नमक प्रतिरोध और दीर्घकालिक स्थिरता के संदर्भ में सौर बाष्पित्रों की कठोर आवश्यकताओं को पूरा करने के लिए, परियोजना डिजाइन मुख्य रूप से निम्नलिखित चार प्रमुख बिंदुओं पर केंद्रित है:

संरचनात्मक डिजाइन और रासायनिक स्थिरता वृद्धि पर ध्यान केंद्रित करें

सौर लवणीकरण को दीर्घकालिक, कुशल और स्थिर बनाने के लिए वाष्पीकरण यंत्र की मजबूत नेटवर्क संरचना और रासायनिक स्थिरता अत्यंत महत्वपूर्ण है। इसलिए, उन्होंने सौर वाष्पीकरण यंत्र के आधार के रूप में कम लागत वाले, अति-जलसंवेदी, उच्च छिद्रयुक्त और उच्च लचीलेपन वाले मेलामाइन फोम का चयन किया।

इसके बाद उन्होंने मेलामाइन फोम को आधार बनाकर ग्राफीन एरोजेल के यांत्रिक गुणों का अध्ययन किया, जिसमें संपीड़न, झुकाव और तनाव सहित कई तरीकों का इस्तेमाल किया गया, ताकि उनके यांत्रिक गुणों का व्यापक मूल्यांकन किया जा सके।

वास्तविक अनुप्रयोग स्थितियों के तहत इसकी मजबूती और स्थायित्व को और अधिक सत्यापित करने के लिए, अनुसंधान दल ने विभिन्न चरम स्थितियों में परीक्षण किए।

विशेष रूप से, उन्होंने नमूने को हवा और पानी में 20 बार बार-बार मोड़ा, इसे अम्लीय और क्षारीय घोल में भिगोया , और इसे उच्च तापमान और अल्ट्रासोनिक सरगर्मी जैसे कठोर वातावरण में रखा।

इन कठोर परीक्षणों के बाद, उन्हें नमूने के स्वरूप और सूक्ष्म संरचना में कोई महत्वपूर्ण परिवर्तन नहीं मिला, जिससे इसकी उत्कृष्ट स्थायित्व और संरचनात्मक स्थिरता का पूर्णतः प्रदर्शन हुआ।

विनिर्माण प्रक्रियाओं के सरलीकरण और आर्थिक सुधार पर ध्यान केंद्रित करना

बाष्पित्र निर्माण प्रक्रिया में सरलता और मितव्ययिता प्राप्त करने तथा महंगे उपकरणों के उपयोग से बचने के लिए, उन्होंने निम्नलिखित तैयारी चरण तैयार किए:

पहला चरण गर्म दबाव है

गर्म दबाव प्रौद्योगिकी का उपयोग करते हुए, अनुसंधान दल ने विभिन्न मोटाई के मेलामाइन फोम को संपीड़ित किया, जिससे 1 मिमी मोटाई वाली पूर्व-दबाई गई मेलामाइन फिल्म प्राप्त हुई।

इस प्रक्रिया के दौरान, जैसे-जैसे नमूने की मूल मोटाई और अंतिम संपीड़ित मोटाई का अनुपात बढ़ता है, पूर्व-दबाए गए मेलामाइन फिल्म के छिद्रों का आकार 150 μm से 20 μm तक सूक्ष्म रूप से नियंत्रित होता है , जिससे एक अद्वितीय त्रि-आयामी ग्रेडिएंट नेटवर्क संरचना बनती है ।

दूसरा चरण सतह पर छिड़काव है

स्प्रे बोतल का उपयोग करके , पहले से दबाई गई मेलामाइन फिल्म की सतह पर ग्राफीन ऑक्साइड सस्पेंशन को समान रूप से स्प्रे करें । इससे फिल्म में ग्राफीन ऑक्साइड का एक समान वितरण प्राप्त हुआ, जिसने आगे सौर अपचयन के लिए आधार तैयार किया।

तीसरा चरण वायुमंडलीय दबाव सुखाने का है

छिड़काव के बाद, उन्होंने फिल्म को प्राकृतिक हवा में सुखाने के लिए सीधे हवा में रखा। यह कदम जटिल, समय लेने वाली और ऊर्जा लेने वाली तैयारी प्रक्रियाओं जैसे कि फ्रीज ड्राइंग, सुपरक्रिटिकल ड्राइंग और सॉल्वेंट रिप्लेसमेंट से बचाता है।

चौथा चरण है सूर्य के प्रकाश में कमी लाना

यानी, नमूने पर सूर्य के प्रकाश को केंद्रित करने के लिए एक आवर्धक कांच का उपयोग करना। पराबैंगनी किरणों की क्रिया के तहत, नमूने की सतह का रंग जल्दी से भूरे से काले रंग में बदल जाता है, जो दर्शाता है कि ग्रेफीन ऑक्साइड को सफलतापूर्वक कम करके ग्राफीन ऑक्साइड बना दिया गया है।

यह सौर अपचयन विधि न केवल संचालित करने में सरल और पर्यावरण के अनुकूल है, बल्कि इसमें रासायनिक अपचयन एजेंटों या उच्च तापमान ऊष्मीय अपचयन प्रक्रियाओं के उपयोग की भी आवश्यकता नहीं होती है, जिससे उत्पादन लागत और पर्यावरण प्रदूषण में काफी कमी आती है।

कुशल सौर ऊर्जा अवशोषण और ऊर्जा हानि को न्यूनतम करने पर ध्यान केन्द्रित करना

सौर वाष्पीकरणकर्ताओं को न केवल सौर ऊर्जा की एक विस्तृत श्रृंखला को अवशोषित करना चाहिए और उसे तापीय ऊर्जा में परिवर्तित करना चाहिए, बल्कि विसरित परावर्तन और तापीय विकिरण के कारण होने वाली ऊर्जा हानि को भी कम करना चाहिए, और पर्यावरण से अतिरिक्त ऊर्जा को भी ग्रहण करना चाहिए। सौर इंटरफ़ेस पर वाष्पीकरण प्रक्रिया को तीन ऊर्जा प्रवाहों द्वारा नियंत्रित किया जाता है: सौर ऊर्जा इनपुट, वाष्पीकरण ऊर्जा आउटपुट, और पर्यावरण में ऊर्जा का क्षय।

दुर्भाग्य से, पारंपरिक दो-आयामी सौर वाष्पीकरणकर्ता आसपास के वातावरण के साथ गर्मी विनिमय के कारण ऊर्जा अपव्यय के मुद्दों का सामना करते हैं, जिससे आदर्श 100% सौर-से-भाप रूपांतरण दक्षता प्राप्त करना मुश्किल हो जाता है। इसके विपरीत, तीन-आयामी सौर वाष्पीकरणकर्ता सौर-से-भाप रूपांतरण दक्षता की सैद्धांतिक सीमा को तोड़ सकते हैं।

त्रि-आयामी नमूने की ऊपरी सतह पर विसरित परावर्तन और तापीय विकिरण के कारण होने वाली ऊर्जा हानि को कम करने के लिए, टीम ने त्रि-आयामी सर्पिल अवतल ग्रेफीन एरोजेल डिजाइन किया।

इस संरचना में न केवल उच्च अवशोषण क्षमता और कम परावर्तकता है, बल्कि इसकी पार्श्व दीवारें परिवेशी ऊष्मा और नीचे से परावर्तित ऊष्मा को अवशोषित करने में भी सक्षम हैं, जिससे प्रभावी ऊर्जा पुनर्प्राप्ति संभव होती है।

नमक सहिष्णुता अनुकूलन और नमक क्रिस्टलीकरण प्रबंधन पर ध्यान केंद्रित करें

अर्थात्; एक अद्वितीय परिवहन चैनल डिजाइन करके, नमकीन पानी के रेडियल परिवहन को बढ़ावा दिया जाता है, जिससे नमक का दिशात्मक क्रिस्टलीकरण होता है। यह डिजाइन न केवल वाष्पीकरणकर्ता की सतह पर नमक को जमा होने और जमने से प्रभावी रूप से रोकता है, बल्कि नमक के प्रभावी संग्रह और उपयोग को भी साकार करता है, इस प्रकार विलवणीकरण प्रक्रिया की दक्षता और स्थिरता में काफी सुधार होता है।

विशेष रूप से, उन्होंने पूर्व-दबाए गए मेलामाइन छिद्रित फिल्म पर आधारित एक त्रि-आयामी ग्रेडिएंट ग्राफीन नेटवर्क संरचना को डिज़ाइन और तैयार किया । यह ग्रेडिएंट ग्राफीन नेटवर्क, जो अंदर से विरल और बाहर से सघन है, एक रेडियल केशिका बल अंतर उत्पन्न कर सकता है, जो खारे पानी के रेडियल परिवहन को बढ़ावा देता है। जैसे-जैसे भाप का उत्पादन जारी रहता है, खारे पानी का रेडियल प्रवाह बाहरी सतह क्षेत्र में खारे पानी की सांद्रता को बढ़ाता है, जिससे नमक आंतरिक सतह के बजाय बाहरी सतह पर दिशात्मक रूप से क्रिस्टलीकृत होता है। यह डिज़ाइन सुनिश्चित करता है कि वाष्पीकरण यंत्र की आंतरिक सतह पर पर्याप्त वाष्पीकरण क्षेत्र बना रहे, जिससे कुशल और स्थिर सौर वाष्पीकरण प्राप्त होता है।

यह उल्लेखनीय है कि वाष्पक अपनी पूरी बाहरी सतह का उपयोग नमक के क्रिस्टलीकरण के लिए करता है, जिससे क्रिस्टलीकरण क्षेत्र अन्य दिशात्मक क्रिस्टलीकरण वाष्पकों की तुलना में बहुत बड़ा हो जाता है।

नमक क्रिस्टल मुख्य रूप से प्रचुर छिद्रों वाले ढीले-ढाले नमक क्रिस्टल से बने होते हैं, जो नमकीन पानी के परिवहन और भाप के निष्कासन के लिए लाभदायक होते हैं।

इसके अलावा, वाष्पीकरण शीतलन प्रभाव के कारण, नमक परत का सतही तापमान परिवेश के तापमान से कम होता है। यह विशेषता वाष्पीकरणकर्ता को पर्यावरण से अधिक ऊर्जा अवशोषित करने में सक्षम बनाती है, जिससे वाष्पीकरण प्रदर्शन में और सुधार होता है।

लेख स्रोत: डीप टेक

शोध समूह: शेडोंग फर्स्ट मेडिकल यूनिवर्सिटी टीम रिसर्च ग्रुप

यह लेख इस लिंक से लिया गया है: https://www.163.com/dy/article/J1RENDEH05119734.html

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