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3D打印具有表面結(jié)構(gòu)的雙層水凝膠用于高效太陽能蒸汽產(chǎn)生

時(shí)間:2023-02-17 15:01 來源:熱質(zhì)納能 作者:admin 閱讀:
      淡水供應(yīng)在人類文明的發(fā)展中一直具有重要意義。如今,隨著人口的增加,淡水供應(yīng)的壓力逐漸增大,許多國(guó)家都面臨著淡水短缺的問題。海水淡化是減緩淡水供應(yīng)壓力的有效途徑,而目前的海水淡化技術(shù)需要巨大的能源消耗,隨著能源危機(jī)的出現(xiàn),能源壓力將進(jìn)一步惡化。為了提高海水淡化效率,研究人員提出了各種蒸發(fā)方法來實(shí)現(xiàn)良好的蒸汽生成,如底部加熱、體積加熱和界面加熱。在這些類型中,界面加熱由于其能源效率高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小等優(yōu)點(diǎn)而逐漸興起。而在各種海水淡化技術(shù)中,太陽能海水淡化以其環(huán)境友好和成本低的優(yōu)點(diǎn)吸引了研究人員的關(guān)注。
       最近,各種水凝膠被用于制造界面太陽能蒸發(fā)器,包括聚(乙烯醇)、海藻酸鈉、聚丙烯酰胺等。對(duì)于水凝膠蒸發(fā)器,通常通過制造微通道和表面圖案來提高蒸發(fā)器的性能,而在制造過程中一般使用傳統(tǒng)的方法(如鹽浸和成型),這些方法的程序通常很復(fù)雜,因此阻礙了水凝膠蒸發(fā)器的實(shí)際應(yīng)用。近年來,3D打印技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域吸引了越來越多的關(guān)注,但對(duì)于3D打印水凝膠蒸發(fā)器的可擴(kuò)展應(yīng)用,仍有一些挑戰(zhàn)性的問題需要解決,如生產(chǎn)率低、抗污性能差、3D打印水凝膠的制造工藝?yán)щy等。為此,湖南大學(xué)鄭雄副教授團(tuán)隊(duì)通過3D打印技術(shù)制造了一種具有表面結(jié)構(gòu)的新型Janus結(jié)構(gòu)水凝膠蒸發(fā)器。并且,該水凝膠作為太陽能蒸發(fā)器具有良好的太陽吸收率、低導(dǎo)熱性、理想的親水性和高機(jī)械強(qiáng)度。


相關(guān)成果以“3D printing double-layer hydrogel evaporator with surface structures for efficient solar steam generation”為題發(fā)表在國(guó)際分離領(lǐng)域主流期刊《Separation and Purification Technology》(IF= 9.136,JCR一區(qū),中科院一區(qū)TOP)上。

研究?jī)?nèi)容
在這項(xiàng)工作中,為了達(dá)到較高的蒸發(fā)效率和良好的抗污能力,研究人員創(chuàng)造性地通過3D打印技術(shù)制造了一個(gè)具有雙層Janus結(jié)構(gòu)的水凝膠蒸發(fā)器。上層與聚乙二醇二丙烯酸酯(PEGDA)水凝膠一致,并添加了炭黑(CB),所設(shè)計(jì)的表面結(jié)構(gòu)保證了對(duì)太陽光照射的有效吸收和蒸發(fā)器界面上熱量的定位,從而實(shí)現(xiàn)更高的能源效率。

下層由PEGDA水凝膠與少量的海藻酸鈉(SA)和木質(zhì)素磺酸鈉(SL)組成,這大大改善了PEGDA水凝膠的親水性。優(yōu)異的親水性和在下層構(gòu)建的微通道通過毛細(xì)管效應(yīng)促進(jìn)了水在蒸發(fā)器中的良好傳輸,而SL的加入提高了下層的廢水處理能力。上層和下層形成了Janus結(jié)構(gòu),抑制了蒸發(fā)器界面上的鹽結(jié)晶。所設(shè)計(jì)的蒸發(fā)器顯示出明顯的高蒸發(fā)率,達(dá)到2.78 kg m -2 h -1,并具有良好的防污和水處理性能。同時(shí),通過實(shí)驗(yàn)和數(shù)值分析,揭示了蒸發(fā)量增強(qiáng)的機(jī)制。這項(xiàng)工作證明了3D打印水凝膠蒸發(fā)器的概念在太陽能脫鹽和廢水處理的應(yīng)用中具有實(shí)際意義。

研究數(shù)據(jù)
圖1. 水凝膠的制備示意圖

圖2. 水凝膠的表征

圖3. 蒸發(fā)器的微/宏觀結(jié)構(gòu)

圖4. 蒸發(fā)器的太陽能蒸發(fā)性能

圖5. 蒸發(fā)器的海水淡化和廢水處理性能

https://www.sciencedirect.com/sc ... i/S1383586622022985

(責(zé)任編輯:admin)

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