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： 龔江課題組

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(fù)雜,，因此阻礙了水凝膠蒸發(fā)器的實際應(yīng)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(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(dǎo)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。

在這項工作中,，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(xì)管效應(yīng)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(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,，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(yīng)用中具有實際意義,。

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

原文鏈接
https://www.sciencedirect.com/sc ... i/S1383586622022985