الفهرس 
CHAPTER 1Only 14 pages are availabe for public view
 |  | from | 184 |  |  |
| | | from | 184 | | |
Abstract
برزت ندرة المياه العذبة باعتبارها واحدة من القضايا العالمية الأكثر إلحاحا التي تواجه القرن 21 للتنمية المستدامة للمجتمع البشري بسبب زيادة الاستهلاك والإفراط في تلوث موارد المياه الصالحة للشرب المحدودة في جميع أنحاء العالم. لتخفيف حدة هذه الأزمة العالمية، تم النظر في العديد من الطرق الفعالة، بما في ذلك تجميع مياه الأمطار، وإعادة تدوير المياه، وتحلية مياه البحر. نظرًا لأن غالبية إمدادات المياه هي مياه مالحة غير صالحة للشرب بما في ذلك مياه البحر ومياه الصرف الصحي، فإن تحلية المياه المالحة طريقة مربحة لإنتاج المياه الصالحة للشرب. من الناحية العملية، تم استخدام تقنيات مختلفة، بما في ذلك التناضح العكسي (RO)، والترشيح فوق البنفسجي (UV)، والترشيح الكيميائي، والتقطير متعدد المراحل، وما إلى ذلك، لمعالجة هذه المشكلة. غير أن هذه الاستراتيجيات تترتب عليها آثار بيئية ضارة وتكاليف باهظة. في غضون ذلك، تمثل ندرة الطاقة العالمية مشكلة لأنه، في مواجهة التنمية العالمية المستدامة، يأتي 85٪ من الاستهلاك العالمي السنوي للطاقة، وخاصة الكهرباء، من موارد أحفورية محدودة ومكلفة مثل الغاز الطبيعي والفحم والنفط. وبالتالي، يجب الاستعاضة عن التقنيات التقليدية لتحلية المياه وتوليد الكهرباء، التي تتطلب بنية تحتية معقدة، واستهلاكًا مرتفعًا للطاقة التقليدية، وبالتالي تكاليف عالية، لمعالجة كلا النقصين بتكنولوجيا عالية الكفاءة ومستدامة وواسعة النطاق يمكنها في الوقت نفسه معالجة كلا النقصين. يعتبر الاستثمار في مياه البحر والطاقة الشمسية المتجددة الوفيرة بالأرض استراتيجية واعدة لتلبية الاحتياجات اليومية لكل من المياه الصالحة للشرب والكهرباء. تعتمد تقنية توليد البخار الشمسي البيني (SSG) على تحويل الطاقة الشمسية المحصودة إلى حرارة موضعية لتبخير الماء في الواجهة الهوائية السائلة من خلال هيكل المواد النانوية. علاوة على ذلك، حظيت هذه التكنولوجيا باهتمام كبير في إنتاج المياه العذبة مقارنة بأنظمة تبخر المياه التقليدية بسبب كفاءة تحويل الطاقة العالية، وسهولة التشغيل، وتصميم الهيكل البسيط، والتوافق البيئي. و لزيادة كفاءة SSG، يجب تقليل تبديد الحرارة المرتبط بالتدفئة السائبة باستخدام نظام ثنائي الطبقة يطفو على سطح الماء. في التصميم الثنائي النموذجي، الطبقة العليا هي مادة حرارية ضوئية يمكنها امتصاص الطاقة الشمسية الساقطة بشكل فعال وتحويلها إلى حرارة من خلال التأثير الحراري الضوئي بينما الطبقة السفلية هي عازل داعم يمكنه تغذية المحلول الملحي باستمرار إلى الطبقة العليا لتوليد البخار وتقليل تبديد الحرارة من الطبقة المبخرة إلى المياه السائبة الكامنة. ومع ذلك، قد تضيع كمية معينة من الحرارة في البيئة المحيطة من خلال أداء SSG، مما يقلل من الاستخدام الكلي للحرارة المحولة. لذلك، فإن استعادة هذه الحرارة المهدرة وإعادة تدوير الحرارة الكامنة أثناء تكثيف البخار هي الطريقة المواتية للاستفادة الكاملة من الطاقة الشمسية و ذلك عن طريق تحويل هذه الحرارة إلى كهرباء. في هذا السياق، تم تصميم نظام هجين لتوليد البخار الشمسي بين الوجه (HISSG) من خلال وضع وحدة كهروحرارية تجارية، كمكون تحويل الطاقة، بين طبقة المبخر وعازل الجهاز ثنائي الطبقة. يمكن لهذه الوحدة توليد الكهرباء عبر تأثير Seebeck الناجم عن اختلاف درجة الحرارة بين الجانب السفلي للوحدة عند ملامسة الماء السائب والجانب العلوي الملامس للضوء.المشروع الثاني: تهدر الشمعة المحبة للماء الكبسولات الدقيقة كمواد لتخزين الطاقة الحرارية من أجل توليد البخار والكهرباء بشكل مشترك طوال اليومأفادت هذه الدراسة أن تطوير نظام التبخر الحراري الشمسي على أساس أكسيد الجرافين، تم تصنيعه بنجاح كمبخر لعملية تحلية البحار ودمجه مع نفايات الشموع باعتباره جهاز PCM صديق للبيئة وفعال من حيث التكلفة لتخزين الطاقة الحرارية وتزويد الحرارة لمدة 24 ساعة. بعد ذلك، تم تغليف مركب GO-PW في غلاف السيليكا لمنع تسرب البارافين تحت الإشعاع الشمسي، وزيادة الموصلية الحرارية والامتصاصية الشمسية وتعزيز المحبة المائية للغشاء. تم تحضير هذه العينات عن طريق التحلل المائي والتكثيف المتعدد لـ TEOS في مستحلب الشمع داخل الماء، ويمكن اعتبار الجرافين كشاشات واقية إضافية تقع في الواجهة بين الشمع و البارافين. علاوة على ذلك، تم اضافة نسبة من جزيئات الفضة النانوية لتصنيع مركب Ag / GO-PW @ SiO2 الذي يعزز امتصاص الطاقة الشمسية ويركز الحرارة على سطح المبخر. تميزت العينات المعدة بالعديد من التحاليل لاثبات نجاح تحضير هذه المواد. تم تسجيل أطياف الأشعة تحت الحمراء لإثبات المجموعات الوظيفية لهذه المركبات. ظهرت القمم المميزة لـ GO عند 3418.2 و2919.8 و1640.19 و1050 سم -1، والتي تم تخصيصها لنطاقات O-H وC– H و C –C و C – C، على التوالي. لقد لوحظ أن ذروة الامتصاص في مناطق 3418.2 سم-1 لها كثافة منخفضة جدًا، مما يكشف عن الاختزال الحراري لـ GO من خلال تفاعل الكبسلة الدقيقة. بالنسبة لـ PW، ظهر ذروتا امتصاص عند 2850 و2919 سم -1 ينتميان إلى نطاقات تمدد متماثلة وغير متماثلة لمجموعات C-H في -CH2 و -CH3 من PW. علاوة على ذلك، تم عرض القمم المميزة لتشوه - CH2 و- CH3 عند 1468 سم -1 بينما ظهر اهتزاز لمجموعة الميثيلين (-CH2) من PW عند 717 سم -1. بالنسبة لـ Ag / GO-PW @ SiO2، لوحظ أن شدة قمم PW و GO انخفضت مع دمج الجسيمات النانوية الفضية مما يشير إلى توزيعAgNPs على السطح المركب. أكدت أطياف Ag / GO- PW @ SiO2 التوزيع الناجح للجسيمات النانوية الفضية على سطح مركب GO- PW @ SiO2 حيث عرض أطياف XRD القمم المميزة لـ AgNPs عند 30.9◦ و 38.12◦ و 44.25◦ و 64.44 التي تُنسب إلى الوجوه البلورية (122) و (111) و (200) و (220) من الوجوه البلورية لـ Ag، على التوالي. تتوافق نتائج XRD مع تحليل FTIR وأثبتت التغليف الناجح لـ PW وGO في غلاف السيليكا بدون تفاعل كيميائي أثناء التغليف. أشارت صور SEM لمركب GO- PW @ SiO2 إلى أن المركب يتكون من جزيئات شبه كروية موحدة تظهر بعض الترابط مع بعضها البعض، بمتوسط أقطار تتراوح من 2 إلى 14 ميكروميتر. أظهرت صورة SEM المكبرة للمركب أن هذه الجسيمات شبه الكروية تمتلك سطحًا خشنًا للغاية بسبب التكثيف المتعدد السريع لـ TEOS لتشكيل غلاف SiO2 باتجاه سطح قطرات PW. حدث تغليف نواة GO-PW على غلاف SiO2 بنجاح بمتوسط حجم جسيم يبلغ 4 ميكروميتر. بالإضافة إلى ذلك، عرضت صورة TEM توزيعًا موحدًا للبقع الداكنة الصغيرة المتعلقة بـ AgNPs بمتوسط حجم جسيم يبلغ 5 نانومتر. علاوة على ذلك، أكد تحليل XPS التصنيع الناجح لـ (Ag / GO- PW @ SiO2). لاستكشاف الثبات الحراري ونسبة فقدان الوزن للمركبات المغلفة، تم اختبار قياسات التحليل الحراري الوزني (TGA) لمركبات SiO2 و PW النقية و PW @ SiO2 و GO-PW @ SiO2. بالنسبة لمنحنى التحليل الحراري الوزني (TGA) لـ PW @ SiO2، يمكن أن يُعزى فقدان الوزن الذي حدث عند درجات حرارة تتراوح بين 250-350 درجة مئوية إلى فقد PW في مركب PW @ SiO2 مع نسبة فقدان الوزن بنسبة 28٪، وذلك في منحنى GO/PW @ SiO2 يرجع إلى فقدان PW و GO بفقدان الوزن بنسبة 37٪. لوحظ أن فقدان الوزن للمركبات المغلفة الدقيقة حدث في درجات حرارة عالية مقارنة بشمع البارافين النقي، مما يشير إلى الثبات العالي للمركبات بسبب قذائف SiO2، والتي تخلق حاجزًا واقعيًا ماديًا على سطح PW الأساسي. مثل هذا الحاجز الوقائي يعزل المادة الأساسية للكبسولات الدقيقة، ويحد من نقل الجزيئات القابلة للاشتعال إلى الطور الغازي، ويبطئ هروب المنتجات المتطايرة، وبالتالي يحسن تثبيط اللهب والاستقرار الحراري لمركبات PW. علاوة على ذلك، فحصت قياسات DSC درجات حرارة تغير الطور والحرارة الكامنة المقابلة لمركبات PW البكر ومركبات MEPCMs. تم فحص درجات حرارة انصهار PW والمركبات من منحنى DSC ووجد أنها 52 و 48.6 و 44.9 درجة مئوية لـ PW و PW @ SiO2 و GO-PW @ SiO2 ، على التوالي. كما لوحظ، تحولت القمم الماصة للحرارة لمركبات MEPCMs نحو درجات حرارة منخفضة وأصبحت أضيق مقارنةً بتلك الخاصة بـ PW النقي لأن غلاف SiO2 يزيد من تبلور PW. زادت تبلور PCM مع إدخال GO الذي يعمل بمثابة شاشة حماية إضافية وبالتالي خفض نطاق درجات حرارة الانصهار. لقياس كفاءة التبخر السطحي التي تعمل بالطاقة الشمسية، تعرض نظام SSG ثنائي الطبقات العائم على مياه مقطرة لإشعاع محاكاة الطاقة الشمسية (1 شمس) لاختبار توليد البخار النموذجي. تم اختبار أداء توليد البخار الشمسي للمياه النقية (ورق الترشيح) والممتصات الحرارية الضوئية المعدة. عندما تم دمج الورق المعبأ بالهواء مع الماصات الحرارية، زاد معدل التبخر لتحقيق أعلى قيمة 1.09 كجم/م2 لكل ساعة لـ Ag / GO- PW @ SiO2 بسبب امتصاص الضوء الفعال لـ SiO2 وGO، وكذلك توطين الحرارة بواسطة AgNPs. للتحقيق في أداء SSG في الليل، تم تسجيل فقدان الكتلة من الماء النقي لمدة 60 دقيقة أخرى لجميع المبخرات بعد إطفاء الضوء من جهاز محاكاة الطاقة الشمسية. يمتلك فقدان الكتلة للمبخرات بدون PW معدل تبخر طفيفًا قدره 0.04 كجم م 2 ساعة بعد إيقاف الضوء، بينما أظهرت المبخرات التي تحتوي على PW معدل تبخر كبير 0.27 كجم/م2 لكل ساعة بسبب إطلاق الطاقة الحرارية المخزنة في PW. Ag / GO- PW @ SiO2 لديه متوسط كفاءة حرارية شمسية تصل إلى 95.7٪ تحت إشعاع الشمس الأول. علاوة على ذلك، أظهر المركب ثباتًا ومتانة ممتازين حيث أظهر معدلات تبخر مستقرة لأكثر من 10 دورات متكررة قيد الاستخدام، مع عدم وجود انخفاض كبير في النشاط. إلى جانب ذلك، تم أيضًا إثبات الإزالة الناجحة للأصباغ العضوية المختلفة من المياه الملوثة، مما أدى إلى إنتاج مياه عذبة نظيفة ومكثفة لأكثر من 10 دورات متكررة. لتقدير الإمكانات الكبيرة للمبخرات المركبة لإنتاج المياه العذبة على نطاق واسع، تم اختبار تجارب SSG تحت إشعاع الشمس الطبيعي لمدة 18 ساعة من 6:00 صباحًا إلى 12 مساءً. تم الحفاظ على معدلات التبخر و اعطاء المعدل الإجمالي بحوالى 15.86 كجم/م2 بعد 18 ساعة لـ Ag / GO- PW @ SiO2. لوحظ أن تحلية المياه استمرت بعد غروب الشمس لـ Ag/GO- PW @ SiO2 لتصل إلى 5.86 كجم/م2 من 7:00 مساءً حتى 12:00 صباحًا. أظهر المركب كثافة طاقة قدرها 6.8 واط / م 2 تحت إشعاع شمس واحد أخيرًا، تم اختبار قياسات توليد الطاقة تحت أشعة الشمس الطبيعية، وكانت النتائج مماثلة تقريبًا لتلك الموجودة في جهاز محاكاة الطاقة الشمسية. مقارنةً بـ GO @ SiO2 ، أظهر غشاء Ag / GO- PW @ SiO2 اختلافات عالية في الجهد والتيار ودرجة الحرارة تبلغ 25 مللي فولت و 12.6 مللي أمبير و 11.5 درجة مئوية ، على التوالي ، في الساعة 1:00 مساءً. مثل القياسات الداخلية، لا يزال بإمكان أغشية Ag / GO- PW @ SiO2 الحفاظ على توليد طاقة معين بعد إيقاف الضوء بينما لم يُظهر GO @ SiO2 أي توليد طاقة بعد غروب الشمس. قد يوفر هذا العمل استراتيجية فعالة من حيث التكلفة لتصنيع ممتصات ضوئية محتملة من النفايات البيئية لأجهزة تبخر المياه والتوليد المشترك للطاقة طوال اليوم للتخفيف من نقص المياه العذبة والكهرباء.