3D打印具有表面結構的雙層水凝膠用于高效太陽能蒸汽產生
時間：2023-02-17 15:01 來源：熱質納能 作者：admin 閱讀：次
淡水供應在人類文明的發展中一直具有重要意義。如今，隨著人口的增加，淡水供應的壓力逐漸增大，許多國家都面臨著淡水短缺的問題。海水淡化是減緩淡水供應壓力的有效途徑，而目前的海水淡化技術需要巨大的能源消耗，隨著能源危機的出現，能源壓力將進一步惡化。為了提高海水淡化效率，研究人員提出了各種蒸發方法來實現良好的蒸汽生成，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、結構簡單、體積小等優點而逐漸興起。而在各種海水淡化技術中，太陽能海水淡化以其環境友好和成本低的優點吸引了研究人員的關注。
最近，各種水凝膠被用于制造界面太陽能蒸發器，包括聚（乙烯醇）、海藻酸鈉、聚丙烯酰胺等。對于水凝膠蒸發器，通常通過制造微通道和表面圖案來提高蒸發器的性能，而在制造過程中一般使用傳統的方法（如鹽浸和成型），這些方法的程序通常很復雜，因此阻礙了水凝膠蒸發器的實際應用。近年來，3D打印技術在各個領域吸引了越來越多的關注，但對于3D打印水凝膠蒸發器的可擴展應用，仍有一些挑戰性的問題需要解決，如生產率低、抗污性能差、3D打印水凝膠的制造工藝困難等。為此，湖南大學鄭雄副教授團隊通過3D打印技術制造了一種具有表面結構的新型Janus結構水凝膠蒸發器。并且，該水凝膠作為太陽能蒸發器具有良好的太陽吸收率、低導熱性、理想的親水性和高機械強度。
相關成果以“3D printing double-layer hydrogel evaporator with surface structures for efficient solar steam generation”為題發表在國際分離領域主流期刊《Separation and Purification Technology》(IF= 9.136，JCR一區，中科院一區TOP)上。
研究內容
在這項工作中，為了達到較高的蒸發效率和良好的抗污能力，研究人員創造性地通過3D打印技術制造了一個具有雙層Janus結構的水凝膠蒸發器。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），所設計的表面結構保證了對太陽光照射的有效吸收和蒸發器界面上熱量的定位，從而實現更高的能源效率。
下層由PEGDA水凝膠與少量的海藻酸鈉（SA）和木質素磺酸鈉（SL）組成，這大大改善了PEGDA水凝膠的親水性。優異的親水性和在下層構建的微通道通過毛細管效應促進了水在蒸發器中的良好傳輸，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結構，抑制了蒸發器界面上的鹽結晶。所設計的蒸發器顯示出明顯的高蒸發率，達到2.78 kg m -2 h -1，并具有良好的防污和水處理性能。同時，通過實驗和數值分析，揭示了蒸發量增強的機制。這項工作證明了3D打印水凝膠蒸發器的概念在太陽能脫鹽和廢水處理的應用中具有實際意義。
研究數據
https://www.sciencedirect.com/sc ... i/S1383586622022985
最近，各種水凝膠被用于制造界面太陽能蒸發器，包括聚（乙烯醇）、海藻酸鈉、聚丙烯酰胺等。對于水凝膠蒸發器，通常通過制造微通道和表面圖案來提高蒸發器的性能，而在制造過程中一般使用傳統的方法（如鹽浸和成型），這些方法的程序通常很復雜，因此阻礙了水凝膠蒸發器的實際應用。近年來，3D打印技術在各個領域吸引了越來越多的關注，但對于3D打印水凝膠蒸發器的可擴展應用，仍有一些挑戰性的問題需要解決，如生產率低、抗污性能差、3D打印水凝膠的制造工藝困難等。為此，湖南大學鄭雄副教授團隊通過3D打印技術制造了一種具有表面結構的新型Janus結構水凝膠蒸發器。并且，該水凝膠作為太陽能蒸發器具有良好的太陽吸收率、低導熱性、理想的親水性和高機械強度。
相關成果以“3D printing double-layer hydrogel evaporator with surface structures for efficient solar steam generation”為題發表在國際分離領域主流期刊《Separation and Purification Technology》(IF= 9.136，JCR一區，中科院一區TOP)上。
研究內容
在這項工作中，為了達到較高的蒸發效率和良好的抗污能力，研究人員創造性地通過3D打印技術制造了一個具有雙層Janus結構的水凝膠蒸發器。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），所設計的表面結構保證了對太陽光照射的有效吸收和蒸發器界面上熱量的定位，從而實現更高的能源效率。
下層由PEGDA水凝膠與少量的海藻酸鈉（SA）和木質素磺酸鈉（SL）組成，這大大改善了PEGDA水凝膠的親水性。優異的親水性和在下層構建的微通道通過毛細管效應促進了水在蒸發器中的良好傳輸，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結構，抑制了蒸發器界面上的鹽結晶。所設計的蒸發器顯示出明顯的高蒸發率，達到2.78 kg m -2 h -1，并具有良好的防污和水處理性能。同時，通過實驗和數值分析，揭示了蒸發量增強的機制。這項工作證明了3D打印水凝膠蒸發器的概念在太陽能脫鹽和廢水處理的應用中具有實際意義。
研究數據
圖1. 水凝膠的制備示意圖
圖2. 水凝膠的表征
圖3. 蒸發器的微/宏觀結構
圖4. 蒸發器的太陽能蒸發性能
圖5. 蒸發器的海水淡化和廢水處理性能
https://www.sciencedirect.com/sc ... i/S1383586622022985
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