文献分享227：用于高效太阳能海水淡化的天然纤维素基杂化水凝胶中水热传递的平衡和优化

本期分享中国南昌大学刘越副教授课题组发表在Chemical Engineering Journal杂志上题目为“Equilibrium and optimization of water-heat transfer in natural cellulose-based hybrid hydrogel for efficient solar desalination”的研究文章。

Part 1 文章简介

用于海水淡化和废水净化的太阳能界面蒸发被认为是缓解水资源短缺危机的有前途的策略。目前，改进蒸发器的方法通常围绕光热材料的迭代（增强产热）或宏观结构重塑（改变水的传输速率），但这些手段都有局限性，并不能实现水热利用的同步和精确调节。本文采用简单的水热方法合成了天然纤维素基杂化水凝胶，具有高蒸发效率（97.67％）和全方位的水净化能力，包括抗菌、抗盐积累和有机染料降解。值得注意的是，该蒸发器提高能量质量利用率的机理可以从两个方面来解释。首先，天然纤维素与无机碳材料的杂化可以补充大量的亲水官能团，从而充分活化水分子，降低蒸发能耗。此外，利用COMSOL模拟阐明了水和热的分布，并通过调节水凝胶的高度，巧妙地实现了水热传递的平衡，实现了能量利用率的最大化。总体而言，水热传递优化思想为未来蒸发器设计提供了新的方向，也为能量质量管理模型的改进提供了新的机遇。

Part 2 主要图表

图1是rGC-CNF杂化水凝胶的制备过程。

图2是CNF、rGC-1.25CNF 和 rGC 的高分辨率 XPS 谱：(a) C 1 s，(b) O 1 s，(c) N 1 s。(d) CNF、rGC 和 rGC-yCNF 水凝胶的 FTIR 分析。(e) rGC-yCNF 水凝胶的热分析图，DSC 信号的大小与测量过程中的热流成正比。(f) DSC 曲线和拟合曲线，记录 rGC-yCNF 混合水凝胶中冷冻水的熔化行为。

图3是(a) CNF 和 rGC-CNF 水凝胶的紫外-可见-近红外吸收光谱。(b) rGC-1.25CNF/EVA蒸发系统图。(c) 1太阳光下水的质量变化，(d) rGC-yCNF (y = 0, 0.5, 1.25, 1.5)系统蒸发率和能量转换效率的比较。(e) rGC-1.25CNF-CWO蒸发系统图。（f）水的质量变化曲线，（g）红外热图像，（h）rGC-1.25CNF/EVA（有或没有CWO-棉膜）系统的表面温度变化曲线。

图4是(a)不同高度rGC-1.25CNF水凝胶的光学照片及其蒸发性能表征(b)1太阳下水的质量变化，(c)蒸发速率和效率的比较。不同高度的 rGC-1.25CNF 水凝胶的热图像：俯视图 (d) 和侧视图 (e) 的 H = 4 cm、1.5 cm 和 0.7 cm。(f) 2D和3D系统的蒸发过程图。

图5是COMSOL 6.1 模拟不同高度蒸发器的（a）含水量和（b）温度分布。(c) 蒸发器顶部的含水量和温度；(d) 不同高度蒸发器从环境中吸收和释放的热量。

图6是(a) 蒸发前后大肠杆菌的抗菌测量。(b) RhB 和 (c) MB 水溶液和冷凝水的照片和吸收光谱，以及有机溶液[左]和相关处理水[右]的插图光学图片。(d)自排水盐结构图，(e)rGC-1.25CNF蒸发器的耐久性评估。

Part 3 研究团队

刘越 副教授

刘越，博士，南昌大学物理与材料学院副教授，主要从事能源转换与存储材料的合成、功能调控及相关系统的构筑等方面的研究工作，进行太阳能海水淡化及氢燃料电池等方面的应用研究。承担省级自然基金1项，横向课题1项，作为骨干参与完成了国家重点研发专项子课题、国家自然科学基金、国家科技支撑计划等项目。主持1项校级教改课题。目前主要研究成果已在ACS Sustain. Chem. Eng., ACS Appl. Mater. Inter., J. Mater. Chem. C, Inorg. Chem., Mater. Des.等国内外重要期刊上发表，获8件授权国家发明专利。

课题组网站：https://spms.ncu.edu.cn/xydt/clkxygcx/4a31f9ab7d844e868b6311445a55fd1d.htm

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.150398

引用：Li, Guiqin, et al. "Equilibrium and optimization of water-heat transfer in natural cellulose-based hybrid hydrogel for efficient solar desalination." Chemical Engineering Journal (2024): 150398.

欢迎各位科研人分享自己的研究工作，请将研究工作或自行拟好的推文发送到竹子学术邮箱，竹子学术邮箱为：zhuzixueshu@163.com。