بررسی تجربی اثر لیگنین‌زدایی چوب‌های رایج در ایران بر عملکرد مولد بخار خورشیدی سطحی

نوع مقاله : مقاله مستقل

نویسندگان

1 استادیار، گروه مهندسی مکانیک، دانشکده فنی مهندسی، دانشگاه رازی، کرمانشاه، ایران

2 استاد، گروه مهندسی مکانیک، دانشکده مهندسی، فردوسی مشهد، مشهد، ایران

10.22044/jsfm.2024.14034.3826

چکیده

استفاده از جاذب‌های چوبی، یکی از روش‌های موثر در تولید مستقیم بخار خورشیدی شناخته شده است، با این حال تنها چوب‌های با فرآوری بالا گزینه‌ی مناسب این سیستمها هستند. از این‌رو این پژوهش با بررسی اثر حذف لیگنین از جاذب چوبی بر عملکرد مولد بخار به دنبال این هدف است که طیف گسترده‌تری از چوب‌ها به عنوان جاذب سطحی مطرح شوند. در این مطالعه تجربی شش نمونه‌ چوب‌ درختان رایج در کشور ایران با استفاده از محلول 5/2 مولار NaOH و 4/0 مولار Na2SO3 لیگنین‌زدایی شد. در اثر لیگنین‌زدایی میکروکانال‌های بزرگتری در بافت چوب ایجاد شده و تخلخل تمامی نمونه‌ها تقریبا به 76/0 افزایش می‌یابد. در مولد سطحی با جاذب چوب صنوبر طبیعی کربن‌دهی شده، نرخ تبخیر kg/m2hr 63/3 به دست آمد که 101 درصد افزایش نسبت به مولد حجمی نشان می‌دهد. چوب‌هایی که نرخ تبخیر اولیه آن‌ها پایین است، پس از عملیات لیگنین‌زدایی با افزایش قابل توجهی در نرخ تبخیر مواجه می‌شوند. بیشترین افزایش نرخ تبخیر در چوب سپیدار سرخ مشاهده شد که با 25 درصد افزایش، به kg/m2hr 35/3 رسید. یکی از مشکلات جدی مولد‌های بخار سطحی، رسوب نمک روی سطح جاذب می‌باشد. در این پژوهش پس از لیگنین‌زدایی، رسوب نمک روی هیچ‌یک از نمونه‌ها مشاهده نشد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


[1] Kummu M, Guillaume JHA, de Moel H, Eisner S, Flörke M, Porkka M, Siebert S, Veldkamp TIE, Ward PJ (2016) The world’s road to water scarcity: shortage and stress in the 20th century and pathways towards sustainability. Sci Rep 6: 38495.
[2] Amjad MM, Raza G, Xin Y, Pervaiz S, Xu J, Du X, Wen D (2017) Volumetric solar heating and steam generation via gold nanofluids. Appl Energy 206: 393-400.
[3] Ghafurian MM, Niazmand H, Tavakoli Dastjerd F, Mahian O (2019) A study on the potential of carbon-based nanomaterials for enhancement of evaporation and water production. Chem. Eng. Sci. 207(2): 79-90.
[4] Li H, He Y, Liu Z, Huang Y, Jiang B (2017) Synchronous steam generation and heat collection in a broadband Ag@TiO2 core–shell nanoparticle-based receiver. Appl. Therm. Eng. 121: 617-627.
[5] غفوریان م‌م، نیازمند ح، اکبری ز، بخش‌زحمتکش ب (1398) بررسی عملکرد نانوذرات اکسیدآهن (مگنتیت) و نانوصفحات گرافن در تولید بخار خورشیدی. مکانیک سازه‌ها و شاره‌ها 9(2): 181-196.
[6] Jin H, Lin G, Bai L, Zeiny A, Wen D (2016) Steam generation in a nanoparticle-based solar receiver. Nano Energy 28: 397-406.
[7] Ghasemi H, Ni G, Marconnet AM, Loomis J, Yerci S, Miljkovic N, Chen G (2014) Solar steam generation by heat localization. Nat. Commun. 5: 4449.
[8] Zhou L, Tan Y, Wang J, Xu W, Yuan Y, Cai W, Zhu S, Zhu J (2016) 3D self-assembly of aluminium nanoparticles for plasmon-enhanced solar desalination. Nat. Photonics 10: 393.
[9] Zhou L, Tan Y, Ji D, Zhu B, Zhang P, Xu J, Gan Q, Yu Z, Zhu J (2016) Self-assembly of highly efficient, broadband plasmonic absorbers for solar steam generation.     Sci. Adv. 2(4): e1501227.
[10] Yang X, Yang Y, Fu L, Zou M, Li Z, Cao A,  Yuan Q (2018) An Ultrathin Flexible 2D Membrane Based on Single-Walled Nanotube–MoS2 Hybrid Film for High-Performance Solar Steam Generation. Adv. Funct. Mater. 28(3): 1704505.
[11] Xue G, Liu K, Chen Q, Yang P, Li J, Ding T, Duan J, Qi B, Zhou J (2017) Robust and Low-cost Flame-treated Wood for High-performance Solar Steam Generation. ACS Appl. Mater. Interfaces 9(17): 15052-15057.
[12] Liu H, Chen C, Wen H, Guo R, Williams NA, Wang B, Chen F, Hu L (2018) Narrow Bandgap Semiconductor Decorated Wood Membrane for High efficiency Solar-assisted Water Purification. J. Mater. Chem. 6(39): 18839-18846.
[13] Li T, Liu H, Zhao X, Chen G, Dai J, Pastel G, Jia C, Chen C, Hitz E, Siddhartha D, Yang R, Hu L (2018) Scalable and Highly Efficient Mesoporous Wood-Based Solar Steam Generation Device: Localized Heat, Rapid Water Transport.          Adv. Funct. Mater. 28(16): 1707134.
[14] Zhu M, Li Y, Chen F, Zhu X, Dai J, Li Y, Yang Z, Yan X, Song J, Wang Y, Hitz E, Luo W, Lu M, Yang B, Hu L (2018) Plasmonic Wood for High-Efficiency Solar Steam Generation. Adv. Energy Mater. 8(4): 1701028.
[15] Bakhsh Zahmatkesh B, Niazmand H, Goharshadi EK (2023) Synergistic effect of Fe3O4 nanoparticles and Au nanolayer in enhancement of interfacial solar steam generation. Mater. Res. Bull. 162: 112178.
[16] Song J, Chen C, Zhu S, Zhu M, Dai J, Ray U, Li Y, Kuang Y, Li Y, Quispe N, Yao Y, Gong A, Leiste UH, Bruck HA, Zhu JY, Vellore A, Li H, Minus ML, Jia Z, Martini A, Li T, Hu L (2018) Processing Bulk Natural Wood into a High-performance Structural Material. Nature 554: 224-228.
[17] Kopacic S, Ortner A, Guebitz G, Kraschitzer T, Leitner J, Bauer W (2018) Technical Lignins and Their Utilization in the Surface Sizing of Paperboard. Ind. Eng. Chem. Res. 57(18): 6284-6291.
[18] Mredha MTI, Pathak SK, Cui J, Jeon I (2019) Hydrogels with Superior Mechanical Properties from the Synergistic Effect in Hydrophobic–Hydrophilic Copolymers. Chem. Eng. J. 362(15): 325-338.
[19] Li Y, Fu Q, Yu S, Ya M, Berglund L (2016) Optically Transparent Wood from a Nanoporous Cellulosic Template: Combining Functional and Structural Performance. Biomacromolecules 17: 1358-1364.
[20] Ge-Zhang S, Yang H, Mu H (2023) Interfacial solar steam generator by MWCNTs/carbon black nanoparticles coated wood. Alexandria Eng. J. 63: 1-10.
 
[21] Chen Z, Dang B, Luo X, Li W, Li J, Yu H, Liu S, Li S (2019) Deep Eutectic Solvent-Assisted In Situ Wood Delignification: A Promising Strategy To Enhance the Efficiency of Wood-Based Solar Steam Generation Devices.  ACS Appl. Mater. Interfaces 11(29): 26032–26037.
[22] Ghafurian MM, Niazmand H, Goharshadi EK, Bakhsh Zahmatkesh B, Moallemi AE, Mehrkhah R, Mahian O (2020) Enhanced solar desalination by delignified wood coated with bimetallic Fe/Pd nanoparticles. Desalination 493: 114657.
[23] Song L, Zhang XF, Wang Z, Zheng T, Yao J (2021) Fe3O4/polyvinyl alcohol decorated delignified wood evaporator for continuous solar steam generation. Desalination 507(1): 115024.
[24] Wong MY, Zhu Y, Ho TC, Pan A, Tso CY (2023) Polypyrrole-reduced graphene oxide coated delignified wood for highly efficient solar interfacial steam generation.             Appl. Therm. Eng. 219(D): 119686.
[25] Zhang P, Piao X, Guo H, Xiong Y, CaoY, Yan Y, Wang Z, Jin C (2023) A multi-function bamboo-based solar interface evaporator for efficient solar evaporation and sewage treatment. Ind. Crops Prod. 200(B): 116823.
[26] Shen F, Xu J, Yan J, Wu S, He C, Li W, Hu J, Zhang Y, Tian D, Shen F (2023) Facile fabrication of functionalized wood evaporator through deep eutectic solvent delignification for efficient solar-driven water purification.          J. Environ. Chem. Eng. 11(6): 111234.
[27] Hu C, Li W, Zhao HY, Li C, Ma ZY, Hao L, Pang Y, Yu ZZ, Li X (2023) Salt-resistant wood-based solar steam generator with top-down water supply for high-yield and long-term desalination of seawater and brine water. Chem. Eng. J. 460: 141622.
[28] Li J, Chen C, Zhu JY, Ragauskas AJ, Hu L(2021) In Situ Wood Delignification toward Sustainable Applications.   Acc. Mater. Res. 2(8): 606-620.
[29] Wang J, Minami E, Asmadi M, Kawamoto H (2021) Effect of delignification on thermal degradation reactivities of hemicellulose and cellulose in wood cell walls.           J. Wood Sci. 67:19.
[30] He Y, Li H, Guo X, Zheng R (2019) Delignified wood-based highly efficient solar steam generation device via promoting both water transportation and evaporation. BioResources 14(2): 3758-3767.