SolarEnergy|3D打印热响应水凝胶蒸发器具有增强的水传输能力，可实现高效的太阳能蒸汽生成

研讨配景

跟着技术提高和生齿增加，淡水资本需求赓续上升，对很多面对水资本缺乏问题的国度提出了挑战。固然海水淡化被以为是缓解淡水压力的有用道路，但今朝的海水淡化技术存在高能耗的毛病。在能源危急赓续进级的配景下，学术界和工业界都迫切必要摸索更高效、更具本钱效益的海水淡化技术来减轻能源负担。

太阳能是地球上丰硕的可再生资本之一，在生物、物理、化学等范畴的催化、阐发或根基研讨中具有至关紧张的意义。在各类海水淡化技术中，太阳能海水淡化因其情况友爱性和本钱效益而备受存眷。近年来，为了实现高产水，人们采纳了多种太阳能驱动蒸发办法，今朝，界面蒸发技术因具备优越热治理的长处，被以为是太阳能驱动海水淡化的新远景。此中界面蒸发技术焦点部件水凝胶因为良好的亲水性和多孔布局为界面蒸发技术提供了新的活气，然则结垢问题和蒸发机能差一直是界面蒸发器存在的严重问题。

近年来，热相应型水凝胶作为一种功效水凝胶，可以在低临界溶液温度(LCST)邻近相应外界温度颠簸，产生亲疏水相变。因为这种奇特的功效，热相应式水凝胶在医学、建筑、光学等范畴受到了普遍的存眷。在太阳能热能应用范畴，应用热相应性水凝胶的吸水和排水特征来构建高产清水器已经开展了一些事情。年夜量研讨证实，热相应水凝胶可以经由过程吸水和排水的进程得到较高的出水量，但仍存在必定的局限性。起首，为了制作外面布局和定向微通道，通常涉及繁杂的工艺，如成型、定向冷冻干燥和盐浸，这给年夜范围利用带来了艰苦。其次，今朝清水器的脱盐依附于滤膜，滤膜可以过滤失落盐离子，实现海水淡化，而膜的引入使得体系加倍繁杂和昂贵。是以，有需要提出一种可以或许降服热相应式清水器局限性的新型热相应式蒸发器。

为此，湖南年夜学能源与动力工程系郑雄传授课题组发明性地应用3D打印技术制造了一种具有优异蒸发机能的热相应水凝胶蒸发器，该蒸发器由热敏性聚(n-异丙基丙烯酰胺)(PNIPAm)、聚乙二醇二丙烯酸酯(PEGDA)、海藻酸钠(SA)和炭黑纳米颗粒(CB)构成，而且对蒸发加强机理进行了试验阐发。本研讨旨在经由过程引入热相应水凝胶来进步蒸发器机能并说明其加强机理，从而推动热相应蒸发器在太阳能海水淡化范畴的利用。

相关结果以“3D printed thermo-responsive hydrogel evaporator with enhanced water transport for efficient solar steam generation”为题颁发在国际着名期刊《Solar Energy》上。

研讨结论

本研讨采纳3D打印技术制备了一种新型的含PNIPAm、PEGDA和SA的热相应型水凝胶蒸发器，该蒸发用具有优越的热相应机能。热相应式蒸发器的制备工艺成熟、简单，有利于蒸发器的范围化临盆。蒸发器采纳精心设计的水凝胶组分，其相变显著，机器强度与亲水性优越，进步了蒸发器的输水才能和耐用性。同时，太阳能蒸发试验验证了热相应式蒸发器的优越蒸发机能。炭黑纳米颗粒的存在加强了界面热局部化，蒸发器中PNIPAm含量的增长加强了亲疏水相变进程，可以得到更高的蒸发速度。制备的热相应蒸发器蒸发速度高达3.587 kg⋅m−2⋅h−1，阐明在蒸发器中引入热相应水凝胶有助于进步蒸发器的蒸发机能。本研讨证实了引入热相应水凝胶改善水输运特征和蒸发机能的可行性，可匆匆进热相应蒸发器在海水淡化、蒸发冷却等潜在范畴的利用。将来热相应式蒸发器的研讨事情可以集中在进步水凝胶的3D打印效力和开发得当集中光照的热相应式水凝胶上。

研讨数据

图1：热相应式蒸发器的制备示意图。

图2: 热相应式蒸发器的特征。(a)蒸发器什物图像;(b)微通道SEM图;(c)炭黑纳米颗粒的TEM图像;(c1)炭黑纳米颗粒的直径散布;(d) PNIPAm水凝胶与蒸发器的紧缩应力-应变曲线;(e)蒸发器及其部件与水的打仗角;(f)蒸发器各部件的FTIR曲线。

图3: 太阳能蒸汽发生的热相应蒸发器。(a)太阳蒸发模拟体系示意图;(b)分歧CB浓度下吸光层的吸收曲线;(c)分歧(c) CB浓度和(d) PNIPAm浓度下水的质量变化;(e)分歧蒸发器的蒸发速度、蒸发焓和效力;(f)分歧照耀光阴下TRE-2-2蒸发器界面温度变化;(g)分歧蒸发器照耀30分钟的红外热像图;(h)本研讨与文献报道的基于水凝胶的蒸发器的蒸发速度比拟。

图4: 蒸发器脱盐。(a)经由过程太阳能淡化四种离子的浓度变化;(b)原始有机染料和纯化后的图片;(c)蒸发器在纯水和3.0 wt%盐溶液中的经久性实验;(d)室外纯水和3.0%盐溶液试验。

https://doi.org/10.1016/j.solener.2024.112507

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