韩国浦项科技大学：层压壳聚糖/石墨烯气凝胶，用于海水淡化

成果简介

界面太阳能蒸汽发电（ISSG）是利用绿色能源生产淡水的一种新方法。在 ISSG 新技术的实际应用中，实现高蒸发率是至关重要的一步。三维（3D）太阳能吸收器可以增加暴露表面积，提高水分子向周围环境的逸散。然而，剧烈的蒸发会导致蒸发器迅速变干，从而破坏其结构或降低效率。本文，韩国浦项科技大学Sang Joon Lee等研究人员在《Chemical Engineering Journal》期刊发表名为“Laminated chitosan/graphene nanoplatelets aerogel for 3D interfacial solar desalination with harnessing wind energy”的论文，研究提出了一种基于气凝胶的横向层压三维蒸发器。为此，在单一结构中加入壳聚糖/石墨烯纳米颗粒（CG）以创建具有两种不同密度的层状 CG（LCG）气凝胶。

结果表明，LCG 气凝胶具有快速升水能力和优异的太阳能吸收特性。层压结构增强了机械强度，并能持续保持水和离子梯度的平衡，从而形成湿润和有利于蒸发的条件。凭借这些优势，高宽比（AR）为 7（高度/半径）的 LCG 气凝胶的蒸发率达到了 2.17 kg m-2h-1。此外，还在风洞中对三维蒸发器进行了精确控制风力的蒸发实验。在风速为6米/秒-1 时，拟议蒸发器的最大蒸发率为 5.98 kg m−2h−1.。单一密度的气凝胶更适用于只有太阳辐射的情况，而 LCG 气凝胶可以同时利用两种密度的特点，在多风的条件下更有效。在海水和高浓度 20 wt% 氯化钠溶液中的蒸发效率超过 73%，显示出卓越的耐盐耐久性。基于气凝胶的蒸发器可作为一种可持续的海水淡化技术，用于生产环保的淡水。

图文导读

图2.CG气凝胶的结构表征

图3.不同密度的3D CG气凝胶的输水特性

图4.太阳能蒸发性能取决于CG和LCG气凝胶的热性能。

图5.对流对CG和LCG气凝胶蒸发性能的影响.

图6.LCG气凝胶的脱盐性能

小结

本文提出了一种将壳聚糖和石墨烯纳米片结合而成的3D层压气凝胶，其制备方法方便易行，是一种太阳能吸收剂。这种制造的两个基本方面如下：通过溶液状态下的浓度控制来调节孔隙率，以及通过成型自由塑造材料。本研究详细研究了气凝胶中的水输运和对流对气凝胶蒸发器的影响。CG气凝胶表现出较快的升水速度，而密度较高的气凝胶往往表现出较高的机械强度和显著的保水能力。在层压LCG气凝胶的情况下，优化了外部低密度（大孔隙）区域的蒸发性能和密集结构内部高密度区域的离子转移性能。它们的多孔微观结构有助于从周围环境中捕获额外的能量，包括对流风和周围空气的潜热。

在层压气凝胶基3D太阳能蒸发器中，LCG-15（30）气凝胶蒸发器的蒸发率为2.17 kg·m−2·h−1在1个太阳光照射下。随着强迫对流的增强，蒸发速率稳步增加，达到最大值5.98 kg m−2h−1.单一密度的气凝胶更适合于仅存在太阳辐射的场景，而LCG气凝胶可以同时利用两种密度的特性，在有风的条件下更有效。该策略通过利用太阳能和强制对流将海水淡化过程的能耗降至最低，同时产生几乎为零的碳排放。所提出的基于气凝胶的3D太阳能吸收器可用于室外条件下的可持续海水淡化系统。它可以与基于自然对流的通风或低功率风扇集成，以产生更多的淡水。这种基于可持续能源的方法需要以户外试验和实际验证的形式进行进一步研究。此外，还需要制造具有模块化配置的大型太阳能蒸发器。这些努力可能会带来太阳能海水淡化的实际进展，并有助于设计具有强大蒸发性能的高效蒸发器。

文献：

https://doi.org/10.1016/j.cej.2023.148197