具有防污和减盐特性的自给自足的Janus气凝胶,用于稳定日光蒸发

通过将太阳能吸收剂与散装工作流体分离而形成的Janus结构界面汽化,由于其低热损失和高海水淡化,水净化,发电等太阳能转化效率而备受关注。

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然而,完全分离的双层结构具有不连续的界面转变和低效率的光热材料破坏了它的长期使用和大规模的实际开发。最近,南京工业大学陈苏/朱亮亮教授团队已证明具有连续排列的贯穿微通道的低成本Janus整体壳聚糖气凝胶对海水淡化和废水净化具有高效的光热效应。顶部太阳能吸收层通过对准的微通道中入射光的多次内部反射来提高宽带光吸收和光热转换效率。此外,绝缘/亲水底层促进了水的输送和热的局部化,同时防止了盐/污垢的积累。结果,获得了约1.76 kg m–2 h-1的长期太阳气化率,相当于在1次太阳照射下的光汽效率约为91%。

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值得注意的是,整个气凝胶中的大容器微通道和良好的溶胀特性为完全隔离自包含的蒸发提供了充足的水补充和存储,从而说明了自包含的太阳能蒸汽的产生增加且时间延长。这种低成本的双层气凝胶在各种流体中具有出色的循环稳定性,为偏远农村地区的淡水生产提供了潜在的机会。相关论文以题为Self-contained Janus Aerogel with Antifouling and Salt-Rejecting Properties for Stable Solar Evaporation发表在《ACS Appl. Mater. Interfaces》上。

【主图导读】

202105101223276293 示意图1.基于Janus气凝胶蒸发器的界面光热水蒸发示意图

202105101223278480 图1.双层CCS的形态和特征。(a)CCS的制备程序示意图。(b,c)垂直于冰面的方向和(d)纵向截面的SEM图像。(e)代表性的碳化梯度图像。

202105101223281137 图2. CCS的物理和机械性能。(a)CCS-60,CS和壳聚糖粉末的FT-IR光谱。(b)C 1s的CS和CCS-60的XPS光谱。(c)CS和CCS-60的轴向压缩应力-应变曲线。(d)CCS-60的透射光谱和反射光谱。(e)CS-60的热导率和(f)红外热像图。(g)抑制热量损失的高效稳定的蒸腾装置的示意图。

202105101223282387 图3.在盐水上的太阳蒸发性能。(a)光照30分钟后,含CCS-60的水的温度曲线。(b)产生太阳蒸汽的示意图。(c)在1 kW m–2的光密度下,具有不同碳化时间的CCS的蒸发速率和(d)效率。(e)在1个太阳光下180分钟内不同CCS的表面温度变化,以及(f)CCS-60的脱盐测试照片。

202105101223284887 图4.在酸性和碱性水中的太阳能蒸发性能。(a)CCS-60随时间推移漂浮在散装水中并与散装水隔离的质量变化。(b)酸性和碱性水的蒸发量变化。(c)在酸性和碱性水中进行pH值测试的照片。(d)CCS-60循环水蒸发性能的稳定性,以及(e)溶胀性能的吸收能力分析。(f)含有CCS-60的酸性水的质量变化。

202105101223287231 图5.防污性能测试过程。(a)在1个阳光照射下24小时后,CCS-60在泥水上的防污性能。(b)CCS-60在泥水上的蒸发速率;插图显示了一些被污染的气流成网纸的照片。(c)CCS-60的防污原理图。

【总结】

团队展示了一种低成本的Janus整体式太阳能蒸发器,该蒸发器具有合理的碳化交联壳聚糖碳化顶层,用于太阳能转化为热能;亲水性底部用作绝热层,以及用于高效太阳能的水传输层蒸汽产生。Janus整体式气凝胶具有宽带光吸收能力,理想的细胞孔结构和出色的循环稳定性,在1个阳光照射下,蒸发率高(1.76 kg m–2 h-1),效率高(〜91%)。此外,气凝胶中垂直排列的贯穿微通道和良好的溶胀性能可提供充足的水补充和存储,以增强隔离各种流体(例如海水,强酸/碱性溶液和浑浊的水中)中的自包含蒸发的能力,同时防止形成盐分/积垢。这种具有成本效益的双层气凝胶和蒸发结构可以为基于偏远地区的清洁水生产或基于界面太阳蒸汽产生系统的紧急需求提供有希望的经济替代策略。

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