効率的な太陽熱蒸気生成のための表面構造を備えた二層ハイドロゲルの 3D プリント

効率的な太陽熱蒸気生成のための表面構造を備えた二層ハイドロゲルの 3D プリント
出典:Gong Jiang Research Group

淡水の供給は人類の文明の発展において常に重要でした。現在、人口の増加に伴い、淡水供給への圧力が徐々に高まっており、多くの国が淡水不足の問題に直面しています。海水の淡水化は淡水供給の圧力を緩和する有効な手段だが、現在の淡水化技術は膨大なエネルギー消費を必要とする。エネルギー危機の出現により、エネルギー圧力はさらに悪化するだろう。海水淡水化の効率を改善するために、研究者らは底部加熱、容積加熱、界面加熱など、良好な蒸気生成を実現するさまざまな蒸発方法を提案してきました。これらのタイプの中で、界面加熱は、エネルギー効率が高く、構造が簡単で、サイズが小さいなどの利点があるため、徐々に登場してきました。さまざまな淡水化技術の中でも、太陽光淡水化は環境に優しく、コストが低いことから研究者の注目を集めています。最近では、ポリビニルアルコール、アルギン酸ナトリウム、ポリアクリルアミドなど、さまざまなハイドロゲルが界面太陽熱蒸発器の製造に使用されています。ハイドロゲル蒸発器の場合、蒸発器の性能は通常、マイクロチャネルと表面パターンを製造することによって向上しますが、製造プロセスでは従来の方法(塩浸漬や成形など)が一般的に使用されます。これらの方法の手順は通常複雑であり、ハイドロゲル蒸発器の実用化を妨げています。近年、3D プリント技術はさまざまな分野で注目を集めていますが、3D プリント ハイドロゲル蒸発器のスケーラブルな応用には、生産性の低さ、防汚性能の低さ、3D プリント ハイドロゲルの製造プロセスの難しさなど、解決すべき課題がまだいくつか残っています。この目的のために、湖南大学の鄭雄准教授のチームは、3Dプリント技術を使用して、表面構造を備えた新しいヤヌス構造ハイドロゲル蒸発器を製造しました。さらに、このハイドロゲルは太陽光吸収性に優れ、熱伝導率が低く、理想的な親水性と太陽熱蒸発器としての高い機械的強度を備えています。

関連する結果は、「効率的な太陽蒸気生成のための表面構造を備えた3Dプリント二層ハイドロゲル蒸発器」というタイトルで、主流の国際分離ジャーナル「分離および精製技術」(IF = 9.136、JCRゾーン1、CASゾーン1 TOP)に掲載されました。


本研究では、高い蒸発効率と優れた防汚能力を実現するために、研究者らは3Dプリント技術を用いて二重層ヤヌス構造のハイドロゲル蒸発器を独創的に製作した。上層はポリエチレングリコールジアクリレート(PEGDA)ハイドロゲルとカーボンブラック(CB)が配合されており、設計された表面構造により、太陽放射の効果的な吸収と蒸発器インターフェースでの熱の局在化が保証され、より高いエネルギー効率が実現されます。下層は、少量のアルギン酸ナトリウム (SA) とリグニンスルホン酸ナトリウム (SL) を含む PEGDA ハイドロゲルで構成されており、PEGDA ハイドロゲルの親水性が大幅に向上します。優れた親水性と下層に構築されたマイクロチャネルにより、毛細管効果を介して蒸発器内の良好な水輸送が促進され、SL の添加により下層の廃水処理能力が向上しました。上層と下層はヤヌス構造を形成し、蒸発器インターフェースでの塩の結晶化を抑制します。設計された蒸発器は、2.78 kg m-2 h-1 という非常に高い蒸発速度を示し、優れた防汚性と水処理特性を備えています。同時に、実験と数値解析を通じて蒸発促進のメカニズムが明らかにされます。この研究は、3D プリントされたハイドロゲル蒸発器のコンセプトが、太陽光による淡水化や廃水処理のアプリケーションに実用的な意味を持つことを示しています。


図 1. ハイドロゲル調製の概略図図 2. ハイドロゲルの特性図 3. 蒸発器のミクロ/マクロ構造図 4. 蒸発器の太陽熱蒸発性能図 5. 蒸発器の淡水化および廃水処理性能オリジナルリンク
https://www.sciencedirect.com/sc ... i/S1383586622022985

テクスチャー、ハイドロゲル

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