Nghiên cứu chế tạo thiết bị chưng cất nước giá rẻ sử dụng năng lượng mặt trời

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH CƠNG TRÌNH NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA SINH VIÊN NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO THIẾT BỊ CHƯNG CẤT NƯỚC GIÁ RẺ SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI S K C 0 9 MÃ SỐ: SV2022-87 CHỦ NHIỆM ĐỀ TÀI: LÂM NGỌC TÂM ĐAN SKC008041 Tp Hồ Chí Minh, tháng 10/2022 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT TPHCM BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA SINH VIÊN NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO THIẾT BỊ CHƯNG CẤT NƯỚC GIÁ RẺ SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI SV2022-87 Thuộc nhóm ngành khoa học: Môi trường SV thực hiện: Lâm Ngọc Tâm Đan Nam, Nữ: Nữ Dân tộc: Kinh Lớp, khoa: 181300A, Khoa học ứng dụng Năm thứ: /Số năm đào tạo:4 Ngành học: Công nghệ vật liệu SV thực hiện: Đặng Thanh Ngân Nam, Nữ: Nữ Dân tộc: Kinh Lớp, khoa: 181300A, Khoa học ứng dụng Năm thứ: Ngành học: Công nghệ vật liệu /Số năm đào tạo:4 SV thực hiện: Phan Lâm Nguyên Nam, Nữ: Nam Dân tộc: Kinh Lớp, khoa: 181300A, Khoa học ứng dụng Năm thứ: /Số năm đào tạo:4 Ngành học: Công nghệ vật liệu Người hướng dẫn: TS Đỗ Huy Bình TP Hồ Chí Minh, 10/2022 MỤC LỤC DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU iii DANH MỤC NHỮNG TỪ VIẾT TẮT iv DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH VÀ BIỂU ĐỒ v THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI vii MỞ ĐẦU x Tổng quan tình hình nghiên cứu x Lý chọn đề tài x Mục tiêu đề tài xi Phương pháp nghiên cứu xii Đối tượng phạm vi nghiên cứu xii CHƯƠNG CƠ SỞ LÍ THUYẾT 1.1 Giới thiệu cacbon giấy cacbon 1.1.1 Cacbon 1.1.2 Exciton - plasmon hiệu ứng bề mặt - chế tương tác sóng điện từ với plasmon 1.1.3 Điều kiện dao động plasmon 1.1.4 Lí thuyết hấp thụ sóng 10 1.2 Nguyên lý hoạt động hệ chưng cất 13 1.2.1 Hiện tượng mao dẫn 13 1.2.2 Hiệu ứng quang nhiệt plasmonic 13 1.2.3 Nguyên lý hoạt động hệ chưng cất 15 1.3 Phần mềm sử dụng 17 1.3.1 Giới thiệu phần mềm AutoCAD phiên 2015 17 1.3.2 Giới thiệu phần mềm CST Studio Suite 18 CHƯƠNG KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ ĐÁNH GIÁ 19 2.1 Tổng hợp giấy nano cacbon giàu sợi 19 2.1.1 Nguyên vật liệu 19 2.1.2 Thiết bị chế tạo 21 2.1.3 Thiết bị đánh giá 23 2.1.4 Quy trình tổng hợp giấy nanocacbon giàu sợi 26 i 2.2 Thiết kế hệ chưng cất 27 2.2.1 Thiết kế hệ chưng cất 27 2.2.2 Nguyên vật liệu 28 2.3 Khảo sát trình tổng hợp giấy nano cacbon giàu sợi 30 2.3.1 Ảnh hưởng số lần nhuộm lên độ hấp thụ giấy 30 2.3.2 Ảnh hưởng nhiệt độ sấy mẫu lên độ hấp thụ giấy 31 2.3.3 Ảnh hưởng lượng nước dung dịch nhuộm lên độ hấp thụ giấy 32 2.3.4 Ảnh hưởng nồng độ axit axetic dung dịch nhuộm lên độ hấp thụ giấy 33 2.3.5 Kết 34 2.3.6 Tổng kết 34 2.4 Tiến hành khảo sát hệ chưng cất nước 36 2.4.1 Khảo sát hệ chưng cất thực địa, chụp ảnh nhiệt bề mặt tích hợp miếng giấy nhuộm nano cacbon hệ 36 2.4.2 Tính tốc độ chưng cất nước hệ ngày, vẽ đồ thị thể tốc độ bay nước hệ chưng cất, xác định tốc độ bay trung bình hệ 37 2.4.3 Đo chất lượng nước thu từ hệ chưng cất khảo sát hệ địa điểm Cầu Đỏ 39 2.5 Mô điện trường xung quanh hạt nano cacbon 39 2.5.1 Xây dựng mô hình 39 2.5.2 Kết mô 42 2.5.3 Mơ độ hấp thụ sóng 46 CHƯƠNG KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 48 3.1 Kết luận 48 3.1.1 Đánh giá kết đạt sau thực đề tài 48 3.1.2 Đánh giá ưu điểm, nhược điểm 48 3.1.3 Khả ứng dụng trì dự án 48 3.2 Định hướng nghiên cứu 49 TÀI LIỆU THAM KHẢO 50 ii DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 2.1 Các hóa chất sử dụng q trình thí nghiệm 20 Bảng 2.2 Các dụng cụ sử dụng q trình thí nghiệm 20 Bảng 2.3 Các thiết bị sử dụng q trình thí nghiệm 23 Bảng 2.4 Chất lượng nước thu từ hệ chưng cất 39 iii DANH MỤC NHỮNG TỪ VIẾT TẮT Chữ viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt RO Reverse osmosis Thẩm thấu ngược CNT Carbon nanotube Ống nano cacbon CNP Carbon nano particle Hạt nano cacbon BET Brunauer-Emmett-Teller Phương pháp BET BSED Backscattered electrons Điện tử tán xạ ngược EDS Energy-dispersive X-ray spectroscopy Phổ tán xạ lượng tia X SEM Scanning Electron Microscope UV-Vis AutoCAD Ultraviolet–visible spectroscopy Automatic Computer Aided Design CAD Computer Aided Design SVG Solar vapor generation SP Kính hiển vi điện tử quét Quang phổ hấp thụ tử ngoại khả kiến Phần mềm thiết kế hỗ trợ tự động nhờ máy tính Phần mềm thiết kế hỗ trợ máy tính Hệ tạo lượng mặt trời Surface plasmons Plasmon bề mặt LSP Localized surface plasmons Plasmon bề mặt cục SPP Surface plasmon polaritons Plasmon phân cực bề mặt Localized surface plasmon resonance Cộng hưởng plasmon bề mặt cục EM Electromagnetic Sóng điện từ Abs Absorbance Sự hấp thụ LSPR iv DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH VÀ BIỂU ĐỒ Hình 1.1 Giấy giàu sợi phủ hạt nano cacbon Hình 1.2 Giấy giàu sợi phủ nano cacbon gắn miếng xốp Hình 1.3 Cơ chế hoạt động điện tử tự bị giới hạn bề mặt hạt nano kim loại Hình 1.4 Sơ đồ Plasmon bề mặt cục (LSP) Hình 1.5 Sơ đồ hiệu tượng hấp thụ sóng điện từ vật liệu 10 Hình 1.6 Hiện tượng mao dẫn chất lỏng xảy ống nhỏ hẹp 13 Hình 1.7 Sơ đồ minh họa hiệu ứng plasmon bề mặt (a) plasmon bề mặt tạo (SPP) mặt phân cách kim loại-điện môi; (b) cộng hưởng plasmon bề mặt cục (LSPR) tạo hạt nano kim loại; (c) plasmon bề mặt tiêu tán theo ba cách khác (electron - photon, electron - điện tử electron - phonon) cuối tạo tượng nóng cục (local heating) 15 Hình 1.8 Ngun lí hoạt động hệ chưng cất nước 16 Hình 2.1 Bột nano cacbon 19 Hình 2.2 Hình ảnh Giấy giàu sợi Texwipe TX612 20 Hình 2.3 Máy sấy tự chế tạo 21 Hình 2.4 Bể rửa siêu âm 22 Hình 2.5 Cân kỹ thuật “LABEX HC-JF2204” 22 Hình 2.6 Thiết bị đo phổ UV-Visible Jasco Model V-730 23 Hình 2.7 Kính hiển vi điện tử quét JEOL – JSM 6400 24 Hình 2.8 Máy chụp ảnh nhiệt UTi120Mobile 25 Hình 2.9 Quy trình tổng hợp giấy nano cacbon giàu sợi 26 Hình 2.10 Hình chiếu từ phía trước 27 Hình 2.11 Hình chiếu từ phía sau 27 Hình 2.12 Hình chiếu từ bên trái 27 Hình 2.13 Hình chiếu từ bên phải 27 Hình 2.14 Hình chiếu từ xuống 27 Hình 2.15 Hình chiếu từ lên 27 Hình 2.16 Hình chiếu phối cảnh hệ chưng cất nước 28 Hình 2.17 Đồ thị phổ hấp thụ UV-Vis ảnh hưởng số lần nhuộm lên độ hấp thụ giấy 30 Hình 2.18 Đồ thị phổ hấp thụ UV-Vis ảnh hưởng nhiệt độ sấy mẫu lên độ hấp thụ giấy 31 v Hình 2.19 Đồ thị phổ hấp thụ UV-Vis ảnh hưởng lượng nước dung dịch nhuộm lên độ hấp thụ giấy 32 Hình 2.20 Đồ thị phổ hấp thụ UV-Vis ảnh hưởng nồng độ axit axeitc dung dịch nhuộm lên độ hấp thụ giấy 33 Hình 2.21 Độ thị phổ UV-Vis đo độ hấp thụ mẫu giấy trắng mẫu giấy nano cacbon giàu sợi 34 Hình 2.22 Hình ảnh kính hiển vi điện tử (SEM) (a) giấy giàu sợi chưa nhuộm (b) giấy giàu sợi nhuộm độ phóng đại thấp cao 35 Hình 2.23 Khảo sát hệ chưng cất trời 36 Hình 2.24 Ảnh nhiệt giấy nhuộm nano cacbon (a) trước (b) sau chiếu sáng lượng Mặt Trời 37 Hình 2.25 Đồ thị tốc độ bay nước khảo sát hệ chưng cất 38 Hình 2.26 Mơ hình cấu trúc hạt nano cacbon phần mềm CST a) Hình chiếu phối cảnh mơ hình, b) mặt trước, c) mặt bên phải, d) mặt bên trái 40 Hình 2.27 Nguồn sóng phẳng phân cực tuyến tính phần mềm CST, a) nguồn sóng chiếu vào hạt nano cac bon, b) hình chiếu phối cảnh, c) phóng to mặt phẳng chiếu hình b) 41 Hình 2.28 Chia lưới phần mềm CST 42 Hình 2.29 CST mơ điện trường cục xung quanh hạt nano cacbon có bán kính kích thước 20 nm, a) mặt cắt hạt, b) điện trường hạt 43 Hình 2.30 CST mô điện trường xung quanh hạt cacbon kích thước hạt nano cacbon tăng dần (10, 15, 25, 50, 100, 150, 200, 250nm) tương ứng hình từ (a) - (f) mơ điện trường với kích thước hạt nano cacbon 44 Hình 2.31 Đồ thị điện trường cục kích thước hạt nano cacbon tăng dần từ 10 - 50nm 44 Hình 2.32 Đồ thị điện trường cục kích thước hạt nano cacbon tăng dần từ 100 - 250nm 45 Hình 2.33 Đồ thị điện trường cục kích thước hạt nano cacbon tăng dần từ 10 - 250nm 45 Hình 2.34 Hình ảnh nguồn chiếu nguồn thu mơ CST, a) hình chiếu phối cảnh, b) hình chiếu từ xuống 46 Hình 2.35 Nguồn thứ 46 Hình 2.36 Nguồn thứ hai 46 Hình 2.37 CST tính tốn lượng phản xạ (reflection power, S11), lượng hấp thụ (absorption power, A) lượng truyền qua (transmission power, S21) 47 vi BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT TPHCM THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI Thông tin chung: - Tên đề tài: Nghiên cứu chế tạo thiết bị chưng cất nước giá rẻ dùng lượng Mặt Trời - Chủ nhiệm đề tài: Lâm Ngọc Tâm Đan Mã số SV: 18130013 - Lớp: 181300A Khoa: Khoa học ứng dụng - Thành viên đề tài: Stt Họ tên MSSV Lớp Khoa Khoa học ứng Đặng Thanh Ngân 18130030 181300A dụng Khoa học ứng Phan Lâm Nguyên 18130032 181300A dụng - Người hướng dẫn: TS Đỗ Huy Bình Mục tiêu đề tài: - Nghiên cứu chế tạo hệ chưng cất nước dùng lượng mặt trời có hiệu suất cao, tự vận hành có tính linh động cao - Buồng chưng cất phải thiết kế cho nhiệt lượng nhận từ giấy dùng để làm hóa lượng nước bề mặt giấy khơng trao đổi với lượng nước phía bên giấy -Chế tạo buồng chưng cất nước dùng lượng mặt trời (hiệu suất lít/1m2giờ); hiểu ảnh hưởng kích thước hạt than nano, cách thiết kế buồng chưng cất lên hiệu suất chưng cất nước hệ - Phân tích tính chất vật liệu tính chất hệ chưng cất - Kiểm soát công nghệ chế tạo buồng chưng cất nước dùng lượng mặt trời, chuẩn bị cho việc nghiên cứu đưa hệ thành sản phẩm thương mại Tính sáng tạo: - Chế tạo thành công hệ chưng cất nước dùng lượng Mặt Trời, không dùng nguồn lượng khác để vận hành - Định hướng nghiên cứu phù hợp với tình hình biến đổi khí hậu diễn với tốc độ nhanh Kết nghiên cứu: - Chế tạo thành công buồng chưng cất nước có tốc độ chưng cất 0.7 kg/(m2.h) - Các tính chất tính hấp thụ hình thái học vật liệu khảo sát trình tối ưu hệ vii Đóng góp mặt giáo dục đào tạo, kinh tế - xã hội, an ninh, quốc phòng khả áp dụng đề tài: - Nghiên cứu tạo tiền đề để chế tạo hệ chưng cất nước thương mại dùng cho nơi vùng sâu, vùng xa thiếu nguồn lượng - Nghiên cứu góp phần giúp sinh viên khóa sau hiểu thêm ứng dụng hiệu ứng plasmon bề mặt lĩnh vực công nghệ vật liệu Công bố khoa học SV từ kết nghiên cứu đề tài (ghi rõ tên tạp chí có) nhận xét, đánh giá sở áp dụng kết nghiên cứu (nếu có): Bài báo “Solar Vapor Generation System Operating without Power Supply” chấp nhận đăng kỷ yếu Hội nghị GTSD2022 Huy-Binh Do, Hoang-Trung Huynh, Thanh-Ngan Dang, Ngoc-Tam-Dan Lam, LamNguyen Phan, Thanh-Tan Vo, Solar Vapor Generation System Operating withoutSolar Vapor Generation System Operating without Power Supply, Proceedings of 2022 6th International Conference on Green Technology and Sustainable Development (GTSD), IEEE, ISBN: 978-1-6654-6628-8, 06/2022, Nha Trang, Vietnam Ngày tháng năm SV chịu trách nhiệm thực đề tài (kí, họ tên) Nhận xét người hướng dẫn đóng góp khoa học SV thực đề tài (phần người hướng dẫn ghi): Ngày tháng năm Người hướng dẫn (kí, họ tên) viii Hình 2.28 Chia lưới phần mềm CST Trong Hình 2.28, lưới chia dạng tam giác (Tetrehedral) với chiều rộng tối đa lưới nhỏ bán kính qủa cầu lần 2.5.2 Kết mơ Để trình bày hiểu biết trực tiếp trực quan LSP, hạt nano cacbon dạng hình cầu có bán kính hạt 20 nm mô phần mềm CST Studio, Hình 2.29 Một giải miền tần số (frequency domain solver) với độ xác 1e-6, lưới tam giác (tetrahedral, legacy) Dữ liệu chiết suất cacbon lấy từ báo H R Philli [15] 42 Hình 2.29 CST mơ điện trường cục xung quanh hạt nano cacbon có bán kính bước sóng chiếu 600 nm, a) mặt cắt hạt, b) điện trường hạt Sự ảnh hưởng kích thước hạt lên tính chất plasmon bề mặt Theo lý thuyết Mie [23], hiệu ứng lưỡng cực diễn kích thước hạt nano nhỏ sóng ánh sáng Khi kích thước hạt cacbon thay đổi, điện từ trường xung quanh hạt thay đổi hiệu ứng lưỡng cực thay đổi Hình 2.30 mơ điện trường với kích thước cacbon khác (10, 15, 25, 50, 100, 150, 200, 250 nm) để xem xét ảnh hưởng kích thước hạt lên tính chất chúng tính chất quang học phân phối trường điện Hình 2.30 cho thấy kích thước bán kính hạt cacbon tăng từ 10 đến 50 nm hiệu ứng lưỡng cực xảy nhiên kích thước bán kính hạt cacbon tăng đến 100 nm khơng cịn hiệu ứng lưỡng cực (hai đám mây điện tử dần xác nhập lại tạo thành khối (bulk)) Điều hoàn toàn với lí thuyết Mie [23] lúc kích thước hạt vượt qua kích thước bước sóng Qua Hình 2.31, Hình 2.32 Hình 2.33, ta thấy cường độ điện trường hạt cacbon kích thước bán kính hạt cacbon từ 10 đến 50 nm gần 1.6 V/m nhiên kích thước bán kính hạt cacbon từ 100 nm trở lên điện trường tăng bán kính hạt cacbon tăng [23] 43 Hình 2.30 CST mô điện trường xung quanh hạt cacbon kích thước hạt nano cacbon tăng dần (10, 15, 25, 50, 100, 150, 200, 250 nm) tương ứng hình từ (a) - (f) mơ điện trường với kích thước hạt nano cacbon Hình 2.31 Đồ thị điện trường cục kích thước hạt nano cacbon tăng dần từ 10 – 50 nm 44 Hình 2.32 Đồ thị điện trường cục kích thước hạt nano cacbon tăng dần từ 100 – 250 nm Hình 2.33 Đồ thị điện trường cục kích thước hạt nano cacbon tăng dần từ 10 – 250 nm 45 2.5.3 Mơ độ hấp thụ sóng a) Xây dựng mơ hình Để mơ độ hấp thụ hạt nano cacbon ta dùng nguồn: nguồn phát nguồn thu Hình 2.34, Hình 2.35, Hình 2.36 [19] [20] [24] Hình 2.34 Hình ảnh nguồn chiếu nguồn thu mơ CST, a) hình chiếu phối cảnh, b) hình chiếu từ xuống Hình 2.35 Nguồn thứ Hình 2.36 Nguồn thứ hai 46 b) Kết mơ độ hấp thụ sóng Hình 2.37 CST tính tốn lượng phản xạ (reflection power, S11), lượng hấp thụ (absorption power, A) lượng truyền qua (transmission power, S21) Qua Hình 2.37 cơng thức (1.11) ta tính độ hấp thụ vật liệu 98% 47 CHƯƠNG KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 3.1 Kết luận 3.1.1 Đánh giá kết đạt sau thực đề tài Nhóm nghiên cứu chế tạo hệ thống tạo lượng Mặt Trời hiệu rẻ nghiên cứu để làm nước cách sử dụng vật liệu giá rẻ bột cacbon đen, xốp polystyren Các đặc tính vật liệu hấp thụ xạ giấy nhuộm cacbon tăng ~ lần so với giấy khơng nhuộm Hình ảnh SEM chứng minh khả bám dính tuyệt vời hạt cacbon nano sợi Tốc độ bay cao 0,7 kg/m2.h đo trời hệ thống tự vận hành mở hội áp dụng vùng nơng thơn, nơi thiếu điều kiện để sử dụng hệ thống khử mặn phức tạp 3.1.2 Đánh giá ưu điểm, nhược điểm a) Ưu điểm hệ chưng cất Chi phí chế tạo thiết bị thấp, việc sửa chữa bảo trì đơn giản số ưu điểm hệ thống Vì hệ thống tự vận hành nên khơng địi hỏi trình độ kĩ thuật cao, áp dụng vùng nơng thơn, nơi khó khăn giá rẻ, khơng nhiều thời gian cung cấp đủ nước sinh hoạt cho người b) Nhược điểm hệ chưng cất Hệ bị hạn chế hiệu suất, áp dụng cho hộ gia đình Phụ thuộc lớn vào thời tiết Do khả hấp thụ lượng Mặt Trời hiệu hạt nano cacbon, khả cách nhiệt vượt trội xốp polystyren triệt tiêu tổn thất đối lưu xạ mơi trường nóng, hầu hết lượng Mặt Trời hấp thụ giới hạn lớp chất lỏng bề mặt mỏng, dẫn đến hiệu chuyển hóa nhiệt sinh 3.1.3 Khả ứng dụng trì dự án Có thể triển khai thử nghiệm khử mặn nước biển ổn định lặp lại thực mẫu thử di động phịng thí nghiệm mơi trường ngồi trời Hơn nữa, cách phân tích giới hạn lý thuyết tốc độ phát tán Mặt Trời, nhóm thấy cần cải thiện tốc độ cất nước hệ chưng cất Điều lĩnh vực mang lại nhiều tiềm cải tiến giảm chi phí 48 Tình trạng thiếu nước vệ sinh thách thức phổ biến người dân toàn giới Người ta dự đoán đến năm 2025, nửa số quốc gia giới phải đối mặt với tình trạng căng thẳng nước đến năm 2050, ~ 75% dân số giới đối mặt với tình trạng khan nước Do đó, điều cần thiết phải phát triển công nghệ khử trùng khử lọc nước, tăng nguồn cung cấp nước thông qua cách thức kinh tế bền vững (nghĩa với chi phí thấp hơn, tiêu thụ lượng nhỏ tác động môi trường nhỏ hơn) Các công nghệ phân tách dựa màng lọc để lọc nước khử muối công nghệ chiếm ưu thế, thật không may, thường địi hỏi nhiều lượng với chi phí mơi trường nghiêm trọng Toàn cầu lên mối quan tâm việc phát triển công nghệ để giải vấn đề Bước đầu thành công hệ thống tạo nước di động lượng Mặt Trời đại diện cho sản phẩm mang tính cách mạng để đánh bại sản phẩm thơng thường hiệu suất giá bán lẻ, đặc biệt hấp dẫn để giải tình trạng thiếu nước toàn cầu, đặc biệt khu vực phát triển 3.2 Định hướng nghiên cứu Dựa kết thu được, nhóm chúng tơi tiếp tục tiến hành pha tạp thêm nano bạc vào miếng giấy giàu sợi 49 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] C Philibert, Solar energy perspectives OECD, 2011 [2] C Philibert, “Renewable Energy Technologies,” Sol Energy Perspect OECD, IEA, Paris, Fr., 2011 [3] A Lenert and E N Wang, “Optimization of nanofluid volumetric receivers for solar thermal energy conversion,” Sol Energy, vol 86, no 1, pp 253–265, 2012 [4] G A N Qiaoqiang, Z Yu, Z Liu, H Song, M Singer, and L I Chenyu, “System and method for solar vapor evaporation and condensation.” Google Patents, 2022 [5] Z Liu et al., “Extremely Cost-Effective and Efficient Solar Vapor Generation under Nonconcentrated Illumination Using Thermally Isolated Black Paper,” Glob Challenges, vol 1, no 2, p 1600003, 2017, doi: 10.1002/gch2.201600003 [6] T R Shojaei et al., “Synthesis, technology and applications of carbon nanomaterials, ed.” Elsevier, 2019 [7] E Asadian, M Ghalkhani, and S Shahrokhian, “Electrochemical sensing based on carbon nanoparticles: A review,” Sensors Actuators B Chem., vol 293, pp 183–209, Aug 2019, doi: 10.1016/J.SNB.2019.04.075 [8] H Jirimali, J Singh, R Boddula, J.-K Lee, and V Singh, “Nano-Structured Carbon: Its Synthesis from Renewable Agricultural Sources and Important Applications,” Materials (Basel)., vol 15, no 11, p 3969, 2022 [9] A A Taherpour and F Mousavi, Carbon nanomaterials for electroanalysis in pharmaceutical applications Elsevier Inc., 2018 doi: 10.1016/B978-0-12813691-1.00006-3 [10] S C Ray and N R Jana, Application of Carbon-Based Nanomaterials as Drug and Gene Delivery Carrier 2017 doi: 10.1016/b978-0-323-47906-6.00005-9 [11] D Jariwala, V K Sangwan, L J Lauhon, T J Marks, and M C Hersam, “ChemInform Abstract: Carbon Nanomaterials for Electronics, Optoelectronics, Photovoltaics, and Sensing,” ChemInform, vol 44, no 25, p no-no, 2013, doi: 10.1002/chin.201325233 [12] X Zhou and T Schoepf, “Detection and formation process of overheated electrical joints due to faulty connections,” 2012 [13] E Cao, W Lin, M Sun, W Liang, and Y Song, “Exciton-plasmon coupling interactions: From principle to applications,” Nanophotonics, vol 7, no 1, pp 145–167, 2018, doi: 10.1515/nanoph-2017-0059 50 [14] X Zhang, W Cui, Y Lei, X Zheng, J Zhang, and T Cui, “Spoof Localized Surface Plasmons for Sensing Applications,” Adv Mater Technol., vol 6, Feb 2021, doi: 10.1002/admt.202000863 [15] H R Phillip and E A Taft, “Kramers-Kronig Analysis of Reflectance Data for Diamond,” Phys Rev., vol 136, no 5A, pp A1445 A1448, Nov 1964, doi: 10.1103/PhysRev.136.A1445 [16] J M Pitarke, V M Silkin, E V Chulkov, and P M Echenique, “Theory of surface plasmons and surface-plasmon polaritons,” Reports Prog Phys., vol 70, no 1, pp 1–87, 2006, doi: 10.1088/0034-4885/70/1/r01 [17] X Zeng, X Cheng, R Yu, and G D Stucky, “Electromagnetic microwave absorption theory and recent achievements in microwave absorbers,” Carbon N Y., vol 168, pp 606–623, 2020, doi: https://doi.org/10.1016/j.carbon.2020.07.028 [18] S S Pattanayak, S H Laskar, and S Sahoo, “Microwave absorption study of dried banana leaves-based single-layer microwave absorber,” Int J Microw Wirel Technol., vol 13, no 2, pp 154–163, 2021, doi: 10.1017/S1759078720000707 [19] R Rosa, P Veronesi, and C Leonelli, “A review on combustion synthesis intensification by means of microwave energy,” Chem Eng Process Process Intensif., vol 71, pp 2–18, 2013 [20] G Nath, “Agricultural waste based radar absorbing material,” Int J Adv Technol Eng Res., vol 1, pp 21–25, 2018 [21] J Liang, H Liu, J Yu, L Zhou, and J Zhu, “Plasmon-enhanced solar vapor generation,” Nanophotonics, vol 8, no 5, pp 771–786, 2019, doi: 10.1515/nanoph-2019-0039 [22] E S Solvers and C A D Compatibility, “CST Studio Suite.” Accessed: Nov, 2020 [23] Y Kivshar and A Miroshnichenko, “Meta-Optics with Mie Resonances,” Opt Photon News, vol 28, no 1, pp 24–31, Jan 2017, doi: 10.1364/OPN.28.1.000024 [24] Y S Lee et al., “Experimental determination of the performance of rice huskcarbon nanotube composites for absorbing microwave signals in the frequency range of 12.4-18 GHz,” Prog Electromagn Res., vol 140, pp 795–812, 2013 51 2022 6th International Conference on Green Technology and Sustainable Development (GTSD) Solar Vapor Generation System Operating without Power Supply 1st Huy-Binh Do, member, IEEE Department of Materials Technology HCMC University of Technology and Education Ho Chi Minh City, Vietnam binhdh@hcmute.edu.vn https://orcid.org/0000-0003-3274-5050 4th Ngoc-Tam-Đan Lam Department of Materials Technology HCMC University of Technology and Education Ho Chi Minh City, Vietnam 2nd Hoang-Trung Huynh Department of Materials Technology HCMC University of Technology and Education Ho Chi Minh City, Vietnam 3rd Thanh-Ngan Dang Department of Materials Technology HCMC University of Technology and Education Ho Chi Minh City, Vietnam 5th Lam-Nguyen Phan Department of Materials Technology HCMC University of Technology and Education Ho Chi Minh City, Vietnam 6th Thanh-Tan Vo Department of Materials Technology HCMC University of Technology and Education Ho Chi Minh City, Vietnam Abstract— We report an efficient and cheap method used to purify/desalinate water by combining porous paper, carbon black powder, and polystyrene foam The properties of paper dyed with carbon black are then characterized by UV-VIS, SEM, and infrared camera analysis The evaporation rate of 0.7 kg/m2.h was obtained when the system operated for hours in the outdoor environment on sunnycloudy days in Ho Chi Minh City and Ninh Thuan Provinces, Vietnam The thermal insulation of polystyrene foam prevents the radiative adsorption of the bulk water and lessens the heat loss due to convection, increasing thermal efficiency The system operates without a power supply and facilitates utilizing cheap and environmentally friendly materials, lessening the burden of a shortage of water in the rural areas Keywords— Solar Vapor Generation, operate without power supply, porous paper, carbon black powder, Plasmon I INTRODUCTION The shortage of household water usage, as well as drinking water, has facilitated study in the conversion of solar energy to heat to create a vapor/steam generation system Technology using a conventional solar steam system is based on costly and voluminously optical concentration system to heat a bulk liquid [1] Many absorbing materials such as charcoal [2], sponge [3], and cotton clothes [4] have been used to improve energy conversion efficiency, however, the efficiency still has low value due to heat dissipation in water [5] Recently, plasmonic nanoparticles have been widely used because of its unique properties in localization heating The localized heat effect can be utilized in solar vapor or steam systems For example, plasmonic metallic nano particles [6, 7] and Nano rods [8, 9] dispersed in liquid can creates vapor bubbles Au nano particles were dispersed in water to gain a solar thermal conversion efficiency of 24% [10] The efficiency was then improved to 57.3% [11] and 92.6% [12] when dark metallic Au-based nano particles and nano membrane were used The improvement of efficiency is believed to the broadening of the adsorption bandwidth However, the intrinsic limitation in application is from high cost of Au-based nano particles, especially when they are dispersed in water Floating substrates such as carbon foam [13], paper [14], and nano porous alumina [11, 12, 15] have been utilized to reduce the material price as well as localize 978-1-6654-6628-8/22/$31.00 ©2022 IEEE Nano carbon Cleanroom paper DI, CH COOH drying Fig.1 The fabrication process used to dye a fiber-rich paper with carbon black powder The process is repeated several times to ensure that white paper becomes ideally dark 2022 6th International Conference on Green Technology and Sustainable Development (GTSD) (a) (b) Top view Solar flux (c) In this work, we design and construct an efficient solar vapor generation system that uses carbon-coated papers integrated onto polystyrene foam Carbon nano particles serves as plasmonic nano particles to heat the surface water while polystyrene foam is an effective insulation layer to prevent heat exchange between water on the surface of the coated paper and the bulk water The UV-VIS, SEM, and infrared camera analysis were conducted to investigate material properties of carbon-dyed papers The average evaporation rate is obtained at 0.7 kg/m2.h The system is only used extremely low cost materials such as nano Carbon black particles, Fiber-rich paper (clean room paper), Acrylic slab, and polystyrene foam The fact that this system operates without input energy opens an opportunity for individual applications to purify water in rural areas II EXPERIMENTAL polystyrene foam Water Fig.2 (a) The schematic illustration of solar vapor generation system (b) The top view of the system shown in Fig 2(a) The system includes a polystyrene foam substrate and a × matrix of dyed papers Each paper has a dimension of cm × cm, so the effective area of substrate covered by dyed paper is 36 cm2 (c) The schematic illustration of one cell of a substrate A part of dyed paper contacts to water, and Polystyrene foam acts as an insulation layer to prevent heat transfer between solar flux with the bulk water Water move up from bulk water to the surface of dyed paper via a convection current through fibers of the clean room paper the absorbing materials at water surface The advantages of these methods are to reduce amount of materials in fabrication a solar steam generation system The thermal conversion efficiency was realized at 64% [13] and 85-90% [11-15] However, remain to use costly Au-based nano particles and a complicated solar concentration system to obtain high solar conversion efficiency is a main drawback of these platforms To realize a practical application of solar steam generation system over large areas, it is require a method that has a low fabrication and operation cost [16] (a) Sample preparation.Fig shows the process where fiber-rich papers are dyed in a solution of carbon powder First of all, 0.16 g carbon black powder (Plasmachem GmbH) was dispersed into a solution including 24 ml water and 0.6 ml acetic acid which increases the adhesion of carbon power to the fibers The solution was then blended using ultrasonic cleaner for minutes After that, the cm × cm fiber-rich paper (clean room paper) (Texwipe TX612) [17] was dipped into that solution and vibrated in minutes to dye fiber-rich paper with carbon powder uniformly The dyed paper was then dried at 80oC in air in minutes The dying process is repeated more than times to ensure that white paper becomes ideally dark Design of evaporation chamber Fig illustrates the schematic images of solar vapor generation system The substrate is constructed by cells (3 × matrix) as shown in Fig 2(b) Each cell is made from dyed paper covered on polystyrene foam as shown in Fig 2(c) Under solar radiation, only surface of dyed paper is heated, while the polystyrene foam layer prevents heat exchange between surface dyed paper with bulk water Water self-moves up from bulk water to the dyed paper on the top based on the convection current because the diameter of paper fiber is in micrometer scale shown in Fig 3(a) A complete portable (b) m m Fig.3 A scanning electron microscope (SEM) image of (a) un-dyed fiber-rich paper and (b) dyed fiber-rich paper under low and high magnification (inset figures) The fiber of clean room paper has the diameter of ~ 810 m, facilitating the convection current from bulk water to the paper on the top of Polystyrene foam 2022 6th International Conference on Green Technology and Sustainable Development (GTSD) solar generation system design in Fig 2(a) was demonstrated in Fig The clean water is collected by distillate channel and guided into a collection bag (a) III RESULT AND DISCUSSION Fig 3(a) shows a microstructure of fiber-rich paper bundles, where the diameter of the fiber is ~ 810 m The paper fibers were coated with carbon nano particles shown in Fig 3(b) The optical adsorption spectra of these papers are shown in Fig It is seen that the adsorption of coated paper is very strong (> 90%) from the visible through IR domain The results indicate that coated paper is particularly promising for low-cost solar vapor generation as compared to Au nano particles To measure the evaporation rate, the solar vapor generation system was set up in Fig (a) The system has been placed outdoor for hours from 10:00 AM to 14:00 PM Fig 5(b) shows the thermal image of the system when it was located indoor, indicating water temperature of 30.5oC When the system was moved outside, water temperature increases The water temperature is determined to be 37.7oC, but the surface temperature of coated paper is 1.4 larger, at ~ 50.7oC The thermal images were taken at 10:00 AM, when the air ambient temperature was ~ 31oC An evaporation rate was measured several days shown in Fig Although intensity of solar radiation changed day by day, the average evaporation rate was determined to be 0.7 kg/m2.h, compatible to previous report [16] Because the intensity of outside radiation was not stable, the evaporation rate should be higher than 1.0 kg/m2.h if the measurement was conducted under one sun condition at kW/m2 [8] The solar conversion thermal efficiency is described in equation: 𝑚̇ ℎ𝐿𝑉 (1) 𝐶𝑃𝑠𝑢𝑛 where hLV is the latent heat of vaporization (i.e., 2375 Jg1 at ~ 50oC), and Psun is the power density of one sun (1 kW/m2) The outside solar conversion thermal efficiency of 47% is determined using eq (1), corresponding the efficiency > 80% if the measurement is conducted in laboratory [10] For the comparison, the efficiency was reported at 88.6% but the outside evaporation rate was only 0.83 kg/m2.d [16] Thermal conversion efficiency in this Absorbance (a.u) 1.2 White paper Dyed paper 1.0 0.8 0.74 0.72 0.70 0.68 0.66 303 304 305 306 Bulk water temperature (K) 0.6 Fig.6 The evaporation rate of solar generation system as a function of average temperature of bulk water 0.4 study is higher than the values measured from commercial system with the evaporation rate of 0.34 kg/m2.d [13] 0.2 200 (c) Fig.5 (a) The photograph of a prototype system Thermal image of coated paper (b) before and (c) after solar illumination The thermal image was taken at 10 AM; the air ambient temperature is ~ 31oC, and the average temperature of water is ~ 30.5oC Evaporation rate (kg/m2.h) 𝜂𝑠𝑜𝑙𝑎𝑟−𝑡𝑜−𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟 = (b) 400 600 800 1000 1200 Wavelength (nm) Fig.4 The absorption spectra of un-dyed white paper (black line) and dyed fiber paper (red line) measured by a UV-VIS system IV CONCLUSION In conclusion, an efficient and cheap solar vapor generation system was investigated to purify water using cheap materials such as black carbon powder, and polystyrene foam The material characteristics indicate that the radiation adsorption of the carbon dyed paper increases 2022 6th International Conference on Green Technology and Sustainable Development (GTSD) ~ times as compared to un-dyed paper SEM images proves excellent adhesion of nano carbon powder on the fibers The high evaporation rate of 0.7 kg/m2.h measured outdoor and the self-operation of the system opens an opportunity to apply it in a rural area, where there is a lack of power to control a complex desalination system [8] [9] ACKNOWLEDGMENT This work was supported by Ho Chi Minh City University of Technology and Education, Vietnam [10] REFERENCES [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] A Lenert and E N Wang, "Optimization of nanofluid volumetric receivers for solar thermal energy conversion," Solar Energy, vol 86, no 1, pp 253-265, 2012/01/01/ 2012, doi: https://doi.org/10.1016/j.solener.2011.09.029 M M Naim and M A Abd El Kawi, "Nonconventional solar stills Part Non-conventional solar stills with charcoal particles as absorber medium," Desalination, vol 153, no 1-3, pp 55-64, 2003 H M Rababa’h, "Experimental study of a solar still with sponge cubes in basin," Energy conversion and Management, vol 44, no 9, pp 1411-1418, 2003 K K Murugavel and K Srithar, "Performance study on basin type double slope solar still with different wick materials and minimum mass of water," Renewable Energy, vol 36, no 2, pp 612-620, 2011 P Durkaieswaran and K K Murugavel, "Various special designs of single basin passive solar still–A review," Renewable and Sustainable Energy Reviews, vol 49, pp 1048-1060, 2015 E Lukianova-Hleb et al., "Plasmonic nanobubbles as transient vapor nanobubbles generated around plasmonic nanoparticles," ACS nano, vol 4, no 4, pp 2109-2123, 2010 R Quidant, A Zelenina, and M Nieto-Vesperinas, "Optical manipulation of plasmonic nanoparticles," Applied Physics A, vol 89, no 2, pp 233-239, 2007 [11] [12] [13] [14] [15] [16] [17] H Ma, P M Bendix, and L B Oddershede, "Largescale orientation dependent heating from a single irradiated gold nanorod," Nano letters, vol 12, no 8, pp 3954-3960, 2012 G Baffou, R Quidant, and F J García de Abajo, "Nanoscale control of optical heating in complex plasmonic systems," ACS nano, vol 4, no 2, pp 709716, 2010 O Neumann, A S Urban, J Day, S Lal, P Nordlander, and N J Halas, "Solar vapor generation enabled by nanoparticles," ACS nano, vol 7, no 1, pp 42-49, 2013 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," Nature communications, vol 6, no 1, pp 1-9, 2015 L Zhou et al., "Self-assembly of highly efficient, broadband plasmonic absorbers for solar steam generation," Science advances, vol 2, no 4, p e1501227, 2016 H Ghasemi et al., "Solar steam generation by heat localization," Nature communications, vol 5, no 1, pp 1-7, 2014 Y Liu et al., "A bioinspired, reusable, paper‐based system for high ‐ performance large ‐ scale evaporation," Advanced Materials, vol 27, no 17, pp 2768-2774, 2015 L Zhou et al., "3D self-assembly of aluminium nanoparticles for plasmon-enhanced solar desalination," Nature Photonics, vol 10, no 6, pp 393-398, 2016 Z Liu et al., "Extremely cost‐effective and efficient solar vapor generation under nonconcentrated illumination using thermally isolated black paper," Global Challenges, vol 1, no 2, p 1600003, 2017 "Data Sheet of the Texwipe TX612." [Online] Available: https://www.texwipe.com/techniclothtx612 S K L 0