Учёные продемонстрировали пользу графена для опреснения воды и улучшения солнечных коллекторов

Учёные впервые показали, что под действием слабого солнечного света жидкости, содержащие графеновые нанохлопья, испаряются на 95% быстрее, чем дистиллированная вода. Кроме того, графеновые наножидкости преобразуют солнечную энергию в тепловую на 48% эффективнее. Благодаря таким свойствам на основе графеновых хлопьев можно создавать эффективные системы опреснения и получения чистой воды из разных источников: сточных вод, пластовой или морской воды. Также авторы определили, что графеновая наножидкость на основе дистиллированной воды эффективно поглощает солнечное излучение, что позволит разработать новый вид солнечного коллектора — устройства для сбора тепловой энергии Солнца. Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Solar Energy.

Графен — наноматериал, состоящий из углеродного слоя толщиной в один атом, — находит широкое применение в энергетике. За счёт того что он хорошо проводит тепло и имеет большую площадь поверхности по отношению к объёму, графен используется в батареях и конденсаторах. Кроме того, графен может применяться для создания наножидкостей — жидкостей, в которые добавлены наноразмерные (величиной от 1 до 100 нанометров) частицы в концентрациях, обычно не превышающих 5%. Такие наножидкости нагреваются под действием света, и накопленное ими тепло идёт на испарение, а затем на конденсацию чистой воды. Таким способом чистую (пресную) воду можно получать из морской воды или сточных вод.

Сегодня для опреснения морской воды используют мембранные установки, требующие много энергии и регулярного обновления материалов. Графеновые наножидкости потенциально упростят и удешевят процесс опреснения. Однако на данный момент нет полных данных о том, как именно свет с разной длиной волны влияет на процесс нагрева графена и его производных. Работы в этом направлении позволят найти потенциальный материал для эффективного преобразования солнечного излучения в тепловую энергию с последующей выработкой чистой воды.

Учёные из Национального исследовательского университета «МЭИ» (Москва) впервые исследовали, как спектр падающего света влияет на нагрев и испарение графеновых наножидкостей. Сначала с помощью расщепления авторы получили нанохлопья размером с клетку кожи человека, состоящие из 3–5 графеновых слоёв. При этом, чтобы исключить вероятность оседания графеновых наночастиц на дно сосуда с жидкостью, авторы отслаивали графен сразу в воде, предотвращая слипание графеновых хлопьев и их утяжеление.

Также исследователи разработали экспериментальную установку, позволяющую изучить нагрев и испарение с поверхности жидкостей. Она состояла из источника излучения, контейнера для хранения жидкости, а также системы измерения температуры и массы испаряющейся жидкости. С помощью такого оборудования авторы сравнили испарение графеновой наножидкости (дистиллированной воды с графеновыми нанохлопьями) и обычной дистиллированной воды, которая служила контролем. Учёные измерили температуру и массу испаряющейся жидкости под действием синего, зелёного, красного, ближнего и дальнего инфракрасного света.

Оказалось, что дальний инфракрасный свет поглощается преимущественно водой, поэтому графеновая наножидкость и дистиллированная вода нагрелись одинаково. В случае облучения зелёным и ближним инфракрасным светом вода практически не поглотила лучи, следовательно, и не нагрелась. Температура графеновой жидкости, напротив, за полтора часа эксперимента повысилась с 15,5оС до 18,5оС. Это говорит о том, что излучение с такими длинами волн преимущественно поглощается графеном, и этот спектр света наиболее эффективен для получения тепла с помощью графеновых наножидкостей. Облучение синим светом не изменило температуры ни одного из образцов. Красный свет не повлиял на графен, но охладил воду. Полученные данные позволят выбирать нужный свет в зависимости от поставленных в промышленности задач.

Кроме того, авторы определили, что при воздействии солнечного света скорость испарения с поверхности графеновой наножидкости была на 68–95% выше, чем в случае чистой воды. Таким образом, графеновые материалы потенциально могут использоваться для быстрого получения питьевой воды.

«Комбинация воды и графеновых хлопьев может служить хорошей рабочей жидкостью, способной поглощать широкий диапазон длин волн для прямого преобразования солнечного излучения в тепловую энергию. Полученные нами данные позволят решить многие прикладные задачи в таких областях, как солнечная энергетика и традиционные тепловые системы. Но для этого необходимо успешно решить вопросы, связанные с поддержанием стабильности наножидкостей. В дальнейшем мы продолжим исследовать графен и другие двумерные материалы, которые можно использовать в различных энергетических устройствах, например, системах охлаждения, материалах для хранения тепловой энергии и её преобразования в электрическую и других», — рассказывает руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Инна Михайлова, кандидат технических наук, доцент кафедры низких температур Московского энергетического института