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

來源: 熱質(zhì)納能

淡水供應在人類文明的發(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(shù)需要巨大的能源消耗，隨著能源危機的出現(xiàn)，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(fā)方法來實現(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)簡單、體積小等優(yōu)點而逐漸興起。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雜，因此阻礙了水凝膠蒸發(fā)器的實際應用。近年來，3D打印技術(shù)在各個領(lǐng)域吸引了越來越多的關(guān)注，但對于3D打印水凝膠蒸發(fā)器的可擴展應用，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困難等。為此，湖南大學鄭雄副教授團隊通過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、低導熱性、理想的親水性和高機械強度。

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。

研究內(nèi)容
在這項工作中，為了達到較高的蒸發(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)計的表面結(jié)構(gòu)保證了對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管效應促進了水在蒸發(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)計的蒸發(fā)器顯示出明顯的高蒸發(fā)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(shù)值分析，揭示了蒸發(fā)量增強的機制。這項工作證明了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用中具有實際意義。

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