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Jun 09, 2024

Kuppel

Scientific Reports Band 12, Artikelnummer: 4403 (2022) Diesen Artikel zitieren 4177 Zugriffe 4 Zitate 1 Altmetric Metrics Details zu Wasserverdampfungssystemen mit Solarenergie als primärem Antrieb

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Wasserverdampfungssysteme mit Solarenergie als primärer Antriebsenergie haben in den letzten Jahren große Aufmerksamkeit erhalten. Diese Arbeit untersucht die Herstellungsmethode und Leistung von Hydrogelverdampfern unter Verwendung von Chitosan und Polyvinylalkohol (PVA) als Gerüst und Kohlenstoffnanopartikeln (CNPs) als photothermischem Material. Die Verdunstungsrate des erhaltenen CPC-Hydrogels (Chitosan/PVA und CNPs) erreicht 2,28 kg m−2 h−1. Gleichzeitig wird in dieser Studie eine dreidimensionale Struktur auf Basis des zweidimensionalen Doppelschichtverdampfungssystems entworfen. Es wird ein Verdampfer mit einer winzigen Beckenstruktur und ein Hydrogel mit einer Kuppelstruktur entwickelt. Diese beiden Strukturen erreichen hocheffiziente Verdunstungsraten von 2,28 kg m−2 h−1 bzw. 3,80 kg m−2 h−1. Diese optimierten Designs verbessern die Verdunstungsrate des Gesamtsystems um ~ 66,7 %. Die entwickelten Verdunstungsgeräte stellen einen vielversprechenden Weg für die Entwicklung von Doppelschichtverdampfern dar, die die neue Entwicklung der Wasserreinigung mit einem solarbetriebenen Verdunstungssystem vorantreiben.

Wasser ist die wertvollste Ressource für das Überleben der Menschheit und die wirtschaftliche Entwicklung1,2. Allerdings ist die Menge an Süßwasser auf der Erdoberfläche begrenzt und kann den steigenden Bedarf nicht decken. Gleichzeitig bedeckt der Ozean mehr als 70 % der Erdoberfläche2. Daher ist das Problem der Umwandlung von Meerwasser in Süßwasser für die menschliche Nutzung ein wichtiges Thema, an dem viele Forscher arbeiten, um die Nachhaltigkeit menschlicher Gesellschaften zu unterstützen.

Traditionelle Wasserverdampfungsfabriken basieren auf Erdöl. Diese Methode verursacht eine erhebliche Abwasserbelastung und Treibhausgasemissionen. Um die Umweltverschmutzung und die finanziellen Kosten zu reduzieren, sind Forscher bestrebt, eine erneuerbare Quelle als Antriebsenergie für die Verdunstung zu nutzen3. Das solarbetriebene Dampferzeugungssystem ist eine Methode, mit der Meerwasser auf der Grundlage reichlich vorhandener, erneuerbarer und sauberer Solarenergie problemlos in Süßwasser umgewandelt werden kann4. Die solare Destillation ahmt den natürlichen Wasserkreislauf nach, bei dem die Sonne Meerwasser bis zur Verdunstung erhitzt5. Nach der Verdunstung kondensiert der Wasserdampf an einer kühleren Oberfläche. Generell lassen sich solarbetriebene Wasserdampferzeugungssysteme in zwei Typen einteilen. Eine davon nutzt Photovoltaikzellen (PV), die Sonnenenergie in Elektrizität umwandeln, um den Verdampfungsprozess anzutreiben. Die andere Möglichkeit besteht darin, die Solarthermie direkt als Antriebsenergie für die Verdunstung zu nutzen. Das PV-Entsalzungssystem umfasst Umkehrosmose (RO) und Elektrodialyse (ED). Das solarthermische System umfasst Multi-Stage-Flash (MSF), Multi-Effekt-Destillation (MED), Dampfkompression (VC), Gefrierentsalzung (FD) und Membrandestillation (MD)6.

Der Hauptzweck der aktuellen Forschung an solarthermischen Entsalzungssystemen besteht darin, die photothermische Effizienz und die Qualität von destilliertem Wasser nach der Reinigung zu verbessern. Die Forscher sind bestrebt, die Wärmeabsorptionsrate des Lichtabsorbers, die Fähigkeit, Sonnenlicht auf der Gas-Flüssigkeits-Oberfläche einzufangen, und die nutzbare Oberfläche des Lichtabsorbers pro Projektionsflächeneinheit zu verbessern, da dies Schlüsselfaktoren für die Schaffung eines hochwirksamen Entsalzungssystems sind .

Das Doppelschichtsystem besteht aus einem Lichtabsorber mit breitbandiger Absorptionsleistung, einer thermischen Isolationsbarriere und einem hydrophilen Wasserkanal zur Übertragung des Meerwassers zum Lichtabsorber. Dieses System mit ausgezeichneter Verdampfungseffizienz wurde umfassend untersucht. Im Jahr 2013 entwarfen Omara et al.7 ein zweistufiges Entsalzungs-Destillationssystem mit einem evakuierten Solarwarmwasserbereiter, Jut-Geotextil und einem Solardestillierapparat. Diese Solaranlage mit doppelschichtigem quadratischem Docht (DLSW) steigerte die Wasserproduktivität immer noch um 114 %. Der durchschnittliche Tageswirkungsgrad des DLSW betrug 71,5 % und die Produktivität von destilliertem Wasser stieg um 215 %, wenn nachts heißes Brackwasser eingespeist wurde. Lee et al.8 schlugen eine superhydrophile, wärmeisolierte mikroporöse Membran aus karbonisierter Saccharose und Polydimethylsiloxan als effizienten Solarverdampfer vor, der eine Produktionsrate von gereinigtem Wasser von 1,28 kg m−2 h−1 erreichte. Als einzige Antriebsenergie wird in ihrer Studie Solarenergie genutzt. Der photothermische Absorber empfängt Sonnenenergie aus dem Sonnenlicht und erwärmt das Wasser im Inneren der porösen Struktur9. Es erfordert eine breitbandige Spektrumabsorptionsleistung und eine hohe photothermische Umwandlungseffizienz.

Der Hauptzweck der Wärmeisolationsschicht besteht darin, die vom Lichtabsorber an der Gas-Flüssigkeits-Grenzfläche erhaltene Wärmeenergie einzufangen. Dies verhindert die Wärmediffusion in das Grundwasser und erhöht so die Effizienz. Daher sollte das Wärmebarrierematerial eine geringe Wärmeleitfähigkeit und hydrophobe Eigenschaften aufweisen, die den Wärmeverlust durch Wärmeleitung im Transportprozess minimieren. Durch die Kombination der Wärmebarriere und eines hydrophilen Wasserkanals kann ein zweidimensionales (2D) Wassertransfersystem entstehen. Durch die Verkleinerung des Wasserwegs kann die Wärmediffusion nach unten zum Hauptwasser wirksam reduziert und so die Verdunstungseffizienz verbessert werden. Zu den bisher eingesetzten Dämmmaterialien gehören Holz10,11, Airlaid-Papier12, makroporöses Silica-Substrat13 und Polystyrolschaum14. Die 2D-Wasserversorgung nutzt hydrophile Zwischenmaterialien wie Zellulose15, Baumwoll- und Seidenstoffe16, vertikal ausgerichtete Graphenstrukturen17 und luftgelegtes Papier18 für die Wasserversorgung. In dieser Studie wird Polyvinylchlorid (PVC)-Schaum als Wärmedämmmaterial in der unteren Schicht eingesetzt. Als geschlossenzelliges Material hat PVC-Schaum die Fähigkeit, Feuchtigkeit abzudichten und weist eine hohe Härte auf. Als Thermoplast leistet PVC hervorragende Leistungen bei der Wärmedämmung. Diese Eigenschaften machen PVC-Schaum zu einem sehr geeigneten Material für die Wärmeisolationsbarriere. Gleichzeitig wird ein Baumwolltuch mit hoher Wasseraufnahme als Wasserleitung zwischen dem Hydrogel und der Wassermenge verwendet. Eine ausreichende und kontinuierliche Wasserversorgung trägt wesentlich zur hohen Verdunstungsleistung bei. Seine Struktur beeinflusst die Richtung des Wasserflusses zur absorbierenden Schicht. was sich indirekt auf die Verdampfungseffizienz auswirkt.

Hydrogele, bei denen es sich um dreidimensionale (3D) poröse Polymernetzwerke handelt, die aus hydrophilen Polymerketten bestehen, werden häufig in verschiedenen Bereichen eingesetzt, beispielsweise in inklusiven Biosensoren19, Hygieneprodukten20, Kontaktlinsen, Arzneimittelabgabe21 und Zellkultur22. Hydrogele haben in den letzten Jahren eine unglaubliche Verdunstungsleistung gezeigt und sich zu einem vielversprechenden Funktionsmaterial in diesem Bereich entwickelt. Hydrogele arbeiten gut mit verschiedenen Arten von Nanopartikeln zusammen, um die photothermische Umwandlungsfähigkeit zu verbessern, wodurch sie für solarbetriebene Wasserverdampfungssysteme geeignet sind. Als poröse Struktur verfügen Hydrogele über ein großes Innenvolumen und eine große Oberfläche, die während des Verdunstungsprozesses kontinuierlich Wasser absorbieren können und einen ausreichenden Gas-Flüssigkeits-Kontakt bieten, um eine effiziente Verdunstungsleistung zu erzielen. In dieser Arbeit wird der Entwurf und die Optimierung des Verdampfungssystems und der CPC-Hydrogel-Verdampferstruktur durchgeführt. Es wird eine winzige Poolstruktur und ein kuppelförmiges Hydrogel entworfen. Um die Machbarkeit des Systems zu demonstrieren, werden die Wasserabsorption und Lichtabsorption des Hydrogels sowie die Gesamtverdunstungsrate des Systems gemessen. PVA ist ein wasserlösliches Polymer mit ausgezeichneter chemischer Stabilität, Filmbildungsfähigkeit und hoher Hydrophilie23. Chitosan ist das Chitin von Garnelen und anderen Krebstieren, das mit einer alkalischen Substanz behandelt wurde. Wenn diese beiden Materialien vernetzt werden, entsteht ein poröses Hydrogelgerüst mit hoher Flexibilität, Zähigkeit und wasserabsorbierender Qualität. Als kohlenstoffbasiertes Material weisen CNPs eine außergewöhnliche Wärmeleitfähigkeit und hohe Stabilität auf. Daher wird es als lichtabsorbierendes Material dieses Hydrogels verwendet, um den Solarenergiegewinn zu maximieren.

In dieser Studie wird über ein photothermisches, makroporöses Doppelschicht-Solarverdampfungssystem mit der in Abb. 1 gezeigten schematischen Struktur berichtet. Ein Chitosan/PVA/CNPs (CPC)-Hydrogel wird unter Verwendung von Chitosan und PVA als Strukturnetzwerk des eingeführt Hydrogel und CNPs, die als photothermisches Material in der Chitosan/PVA-Matrix verteilt sind.

Schematische Darstellung eines regulären Doppelschicht-Verdampfungssystems.

Um die Verdunstungsrate und Lichtabsorption des Hydrogels zu erhöhen, wird das ursprüngliche planare Hydrogel optimiert. Es wird ein kuppelförmig angeordnetes Hydrogel mit mehreren halbkugelförmigen Vorsprüngen auf seiner Oberfläche entworfen, wie in Abb. 2 dargestellt.

Optimiertes kuppelförmiges Hydrogel mit halbkugelförmigen Strukturen.

In der praktischen Anwendung spielt die Oberfläche des Verdampfers eine entscheidende Rolle für die Verdunstungsrate. Die größere Oberfläche kann die an der Oberfläche des Verdampfers abgegebene Konvektionswärme effektiv verbessern und so die Verdampfungsrate erhöhen. Die halbkugelförmige Struktur kann eine größere Verdunstungsoberfläche schaffen, ohne die Projektfläche zu verändern. Diese kuppelförmige Struktur erhöht daher die Lichtabsorption des Hydrogels sowie die Verdunstungsfläche drastisch und erhöht so die Verdunstungsrate.

Nach der Bewertung der Abschattungswirkung zur Bestimmung der Geometrie, die die photothermische Absorption am besten fördert, werden sieben Halbkugeleinheiten mit einem Radius von 2 mm zu einem zylindrischen Hydrogel mit einem Durchmesser von 70 mm hinzugefügt. Das Hydrogel wird mit maßgeschneiderten Silikonformen hergestellt und die Oberfläche ist poliert. In den anschließenden Experimenten wird die Verdunstungsleistung einer einzelnen Halbkugeleinheit getestet und die Versuchsergebnisse belegen, dass die Struktur tatsächlich die Verdunstungsleistung verbessern könnte.

PVA, Molekulargewicht 85.000–124.000, 99 + % hydrolysiert. Chitosan, mittleres Molekulargewicht, von Sigma-Aldrich. Glutaraldehydlösung, 50 Gew.-% % in H2O, von Sigma-Aldrich.

Das allgemeine Schema des Hydrogel-Herstellungsprozesses ist in Abb. 3 dargestellt. Die Probe ist ein Zylinder mit einem Durchmesser von 70 mm und einer Dicke von 10 mm. Zunächst wird 1 g Chitosanpulver in 50 ml 1 %iger (v/v) Essigsäurelösung gelöst und mit einem Magnetrührer 6 h bei 40 °C gerührt, bis es vollständig aufgelöst ist. Anschließend lösen wir 4 g PVA-Pulver in 40 ml entionisiertem Wasser und rühren mit einem Magnetrührer 3 Stunden bei 90 °C, bis es vollständig aufgelöst ist. Als nächstes werden die PVA-Lösung und die Chitosan-Lösung gemischt und 0,5 g CNPs-Pulver hinzugefügt. Die Mischung wird mit einem Ultraschallgerät gleichmäßig vermischt. Dies stellt die Vorbereitung der Vorlösung des Hydrogels dar.

Herstellungsprozess von CPC-Hydrogel.

Anschließend werden der gemischten Chitosan/PVA-CNP-Lösung 625 μl Glutaraldehydlösung als Vernetzer zugesetzt. Die Lösung wird geformt und im Kühlschrank bei −20 °C für 24 Stunden vorgefroren. Mit einem Lyophilisator wird die Probe 24 Stunden lang gefriergetrocknet, bis sie vollständig dehydriert ist. Abschließend wird die erhaltene Hydrogelprobe zum Testen vollständig gequollen.

Die Oberflächenbehandlung entfernt die verstopfte Struktur der Materialoberfläche nach der Lyophilisierungsbehandlung, wodurch das hydrophobe Rohr in direkten Kontakt mit der Luft kommt und die Verdunstungseffizienz verbessert wird.

Zum Polieren der Ober- und Unterseite des trockenen CPC-Hydrogels wird eine elektrische Schleifmaschine mit einer Schleiftiefe in Längsrichtung von 0,5 mm auf jeder Seite verwendet. Nach dem Mahlen wird das Hydrogel in Wasser eingeweicht und die Verdunstungseffizienz nach vollständiger Wasseraufnahme getestet.

Die Morphologie und Mikrostruktur der Proben werden mittels Rasterelektronenmikroskopie (REM, Supra 25) unter einer Beschleunigungsspannung von 5 kV untersucht. Der Kontaktwinkel wird mit dem Kontaktwinkelmessgerät SINDIN SDC-350 charakterisiert. Die Reflexionsspektren von 0,3 bis 2,5 µm werden mit einem Jasco V770-Spektrophotometer gemessen, das mit einer Jasco ISN-923 Ulbrichtkugel mit einem festen Winkel von 6° ausgestattet ist. Infrarotbilder werden mit der Wärmebildkamera FLIR A655C mit einem 25°-Objektiv und einer Auflösung von 640 × 480 aufgenommen.

Der CPC-Hydrogelverdampfer weist eine flauschige Struktur auf, die einem Schwamm ähnelt. Nach vollständiger Einweichung in Wasser weist es eine gleichmäßige Wasseraufnahmeleistung auf. Jede Einheit innerhalb der Struktur ist hinsichtlich der Wasserabsorptionsrate und -menge konsistent. Die Probe ist weich und hat eine gute Zähigkeit, da sie zusammengedrückt und in die ursprüngliche Form zurückgezogen werden kann. Die REM-Bilder des CPC-Hydrogels sind in Abb. 4a dargestellt. Das CPC-Hydrogel verfügt über einen einheitlichen internen Wasserkanal und ist somit ein geeignetes Material für einen nahezu idealen Wasserverdampfer.

(a) SEM-Bilder der CPC-Hydrogelprobe. (b) Kontaktwinkel der CPC-Hydrogelprobe. (c) Lichtabsorption einer CPC-Hydrogelprobe im sichtbaren und Infrarotbereich. (d) Benetzungsprozess des Hydrogels mit Kuppelstruktur und Probengewichtskurve.

Während das Wasser verdunstet, absorbiert das CPC-Hydrogel Sonnenlicht und wandelt es hauptsächlich aufgrund der hohen photothermischen Absorption der hinzugefügten CNPs in Wärmeenergie um. Daher spielt das spektrale Absorptionsvermögen des Materials eine entscheidende Rolle für die Verdunstungsleistung; Bei hoher spektraler Absorption kann mehr Sonnenlicht absorbiert werden, wodurch mehr Wärmeenergie für die photothermische Umwandlung zur Verfügung steht.

Ein Jasco V770-Spektrophotometer wird verwendet, um die spektrale Durchlässigkeit und das Reflexionsvermögen der CPC-Hydrogelprobe zu charakterisieren. Seine Lichtabsorption wird durch \(A=1-TR\) berechnet, wobei A den Absorptionsgrad, T den Transmissionsgrad und R den Reflexionsgrad darstellt. Wie in Abb. 4c dargestellt, erreicht die CPC-Hydrogelprobe im Wellenlängenbereich von 0,3–2,5 µm eine durchschnittliche Lichtabsorptionsrate von bis zu 98 %. Es behält eine Lichtabsorptionsrate von nahezu 98 % über den gesamten sichtbaren Wellenlängenbereich (0,4–0,83 µm) bei. Die CNPs spielen eine entscheidende Rolle im Prozess der Lichtabsorption und können den Großteil der einfallenden Energie absorbieren und umwandeln, was die Verdunstungseffizienz dieses Hydrogels erheblich steigert. Daher kann der Schluss gezogen werden, dass das durch Zugabe von CNPs zu Chitosan/PVA-Gerüst hergestellte Hydrogel eine hohe Lichtabsorptionsrate aufweist und als lichtabsorbierendes Material des Verdampfers geeignet ist.

Auch die Wasseraufnahmefähigkeit ist ein wesentlicher Einflussfaktor auf die Verdunstungseffizienz von Materialien. Die Wasseraufnahme eines Materials steuert die für die Verdunstung verfügbare Wassermenge aufgrund seiner Fähigkeit, der Verdunstung wieder Wasser zuzuführen. Superabsorbierende Materialien können schnell Wasser aus der Wassertransportschicht absorbieren, wenn ihre interne Wasserverdunstung dafür sorgt, dass die interne Wassermenge ausreichend bleibt und die Verdunstung fortgesetzt wird. Wenn das Material nicht ausreichend saugfähig ist, nimmt es nicht genügend Wasser aus der absorbierenden Schicht auf, um die anschließende Verdunstung aufrechtzuerhalten, wenn das meiste Wasser im Material verdunstet ist. Diese Funktion würde das Material austrocknen, die Verdunstung allmählich beenden und die Effizienz erheblich verringern. Aufgrund der porösen Struktur des Chitosan/PVA-Gerüsts ist eine hohe Wasseraufnahme zu erwarten. Diese Erwartung wird durch die Messung des Kontaktwinkels und des Prozesses der Wasseraufnahme belegt.

Der Kontaktwinkel ist der Winkel, der zwischen der Flüssigkeits-Dampf-Grenzfläche und der festen Oberfläche gebildet wird, wenn die Flüssigkeit auf die feste Oberfläche tropft, und zeigt die Hydrophilie und Benetzbarkeit des Objekts an. Im Allgemeinen gilt für einen Feststoff, der Wasser absorbiert, das dynamische Phänomen, dass sich der Kontaktwinkel ändert, wenn die Flüssigkeit auf die Oberfläche fällt. Der Bereich verringert sich allmählich vom maximalen Kontaktwinkel zum minimalen Kontaktwinkel, was die Wasserabsorptionsgeschwindigkeit des Materials widerspiegelt . In diesem Experiment wird ein Wassertropfen auf die gründlich getränkte Hydrogelprobe aufgetragen und mit einer Hochgeschwindigkeitskamera Bilder aufgenommen, die die Änderung des Kontaktwinkels beim Absorptionsprozess veranschaulichen.

Durch die Aufnahme der Bilder konnte festgestellt werden, dass das CPC-Hydrogel das Wasser absorbierte, sobald es auf die Oberfläche fiel, wie in Abb. 4b dargestellt. Der Kontaktwinkel sinkt innerhalb von 5 ms auf 0 Grad und der Absorptionsprozess ist kaum noch zu beobachten. Dieses Phänomen weist darauf hin, dass die Oberfläche des behandelten Hydrogels vollständig hydrophil ist und eine hervorragende Wasseraufnahme aufweist. Dieses experimentelle Ergebnis beweist, dass diese Probe kontinuierlich Wasser aus der Wassertransportschicht absorbieren und den kontinuierlichen Verdunstungsprozess im Verdunstungsprozess aufrechterhalten kann.

Der Wasseraufnahmetest der Hydrogelprobe erfasst den Wasseraufnahmevorgang der dehydrierten Probe. In diesem Experiment wird eine trockene Probe mit einer halbkugelförmigen Struktur getestet. Um die Beobachtung des Eindringens von Feuchtigkeit zu erleichtern, wird nur die Unterseite poliert, die mit dem Wasser in Kontakt kommt. Eine dehydrierte Probe wird in eine mit Wasser gefüllte Glasschale getaucht und ihr Gewicht alle 15 Sekunden aufgezeichnet, bis sie stabil ist. Ab diesem Zeitpunkt gilt sie als vollständig nass.

Wie in Abb. 4d dargestellt, wird die Probe von der Mitte aus allmählich benetzt, wobei die Halbkugelstruktur oben der letzte Teil ist, der gesättigt wird. Die gesamte Einweichzeit beträgt ca. 15 Minuten. Die trockene Probe wiegt 6,5 g und erfährt eine allmähliche Gewichtszunahme, bevor sie einen konvergierenden Wert erreicht, der darauf hinweist, dass die vollständig nasse Probe etwa 20,2 g wiegt. Die Quellrate der Probe wird durch \(ESR={W}_{S}/{W}_{D}\) berechnet, wobei ESR die Gleichgewichtsquellrate darstellt. WS stellt die Masse des Hydrogels nach dem Quellungsgleichgewicht dar und WD stellt die Masse des trockenen Hydrogels dar.

Der ESR dieser Probe beträgt 3,10, was zeigt, dass die Probe eine ausgezeichnete innere Benetzbarkeit aufweist. Den oben genannten experimentellen Ergebnissen zufolge ist diese Probe als lichtabsorbierendes Material in einem Entsalzungssystem geeignet, da sie kontinuierlich Wasser aus der Wassertransportschicht absorbieren und eine kontinuierliche Verdunstung aufrechterhalten kann.

Mit einer Solarsimulatorlampe im Labor wird im Verdunstungsratentest eine Sonneneinstrahlung (1000 W m−2) simuliert. Gleichzeitig erfasst eine elektronische Waage die Massenänderungen des Verdampfungssystems in Echtzeit. Die Umgebungstemperatur beträgt 25 °C und die Luftfeuchtigkeit 30 %. Die simulierte Umgebung ist in Abb. 5 dargestellt.

Schematische Darstellung einer Sonnensimulation und eines solarbetriebenen Wasserentsalzungssystems.

Das reduzierte Wassergewicht in der Aufzeichnung der elektronischen Waage ist die Wassermenge, die durch die photothermische Energie des Lichtabsorbers verdampft wird. Dies stellt auch die Menge an kontaminiertem Wasser dar, die durch dieses Entsalzungsgerät gereinigt wird.

In diesem Experiment wird als Versuchsobjekt eine Einheit ausgewählt, die eine Halbkugel in der kuppelförmig angeordneten CPC-Hydrogelprobe enthält. Aus der Hydrogelprobe wird eine quadratische Probe mit einer Seitenlänge von 20 mm entnommen. Zum Polieren der Ober- und Unterseite wird eine elektrische Schleifmaschine verwendet. Gleichzeitig wird ein optimiertes System mit einer quadratischen Vertiefung in der Mitte der Wärmedämmschicht entsprechend der Probengröße demonstriert (Abb. 6a). Die Probe wird in das System gegeben und die Gewichtsveränderung des Systems wird innerhalb einer Stunde unter Sonneneinstrahlung aufgezeichnet.

(a) Verdampfungssystem mit einer Einheit für halbkugelförmige Hydrogelproben und der Testeinheit für halbkugelförmiges Hydrogel. (b) Infrarot-Wärmebilder der oberen Oberfläche einer halbkugelförmigen Hydrogelprobe während des Erhitzungsprozesses. (c) Wassermassenänderung im System unter einer Sonneneinstrahlungsintensität. (d) Änderungen der Wassermasse bei einer kuppelförmig angeordneten Hydrogelprobe und bei einer regelmäßigen ebenen Probe unter Einstrahlung der Sonne.

Während des Experiments wird mit einer Infrarotkamera der Erwärmungsprozess der Probe unter Licht aufgezeichnet und die maximale Temperatur und Temperaturverteilung der Probenoberfläche untersucht. Die Infrarot-Wärmebilder sind in Abb. 6b dargestellt. Die Anfangstemperatur der Probe wird auf Raumtemperatur (20 °C) eingestellt. Nach etwa 10 Minuten erreicht die Temperatur Stabilität. Zu diesem Zeitpunkt beträgt die maximale Temperatur der Probenoberfläche 59,4 °C. Die Temperatur an der Spitze der halbkugelförmigen Struktur ist etwas niedriger als im ebenen Teil und beträgt etwa 53 °C.

Aufgrund der halbkugelförmigen Struktur ist die Dicke der CPC-Hydrogelprobe im Vergleich zu der der ebenen Probe erhöht, sodass der Erwärmungsprozess langsamer ist als in früheren Experimenten und auch die Verdampfungseffizienz beeinträchtigt wird. Die Verdampfungsrate in diesem Prozess steigt, wenn sich der Verdampfer einer stabilen Temperatur nähert, ebenso wie die Verdampfungseffizienz. Sobald die Temperatur das Gleichgewicht erreicht, erreicht auch die Verdunstungsrate einen stabilen Zustand. Diese Änderung der Verdunstungsrate von niedrig nach hoch aufgrund der Temperaturänderung spiegelt sich auch in der Kurve der Wassergewichtsänderung in Abb. 6c wider. Aus diesem Grund werden bei der Berechnung der Verdunstungsrate nur die Daten berücksichtigt, die nach Erreichen einer relativ stabilen Massenänderungsrate aufgezeichnet werden. Daher wurden die letzten 30 Minuten des Experiments ausgewählt, um die Verdampfungsrate im stabilisierten Verdampfungsprozess zu berechnen. Die Verdunstungsleistung des Systems wird auf Basis einer Probenoberfläche von 400 mm2 (20 mm × 20 mm) mit 3,80 kg m−2 h−1 berechnet.

Bei einem Standard-Doppelschichtaufbau kann das Verdunstungsverhalten der Hydrogele zur Beurteilung der Materialverfügbarkeit für die Grundentsalzung von Meerwasser herangezogen werden. Daher wird in diesem Experiment die Effizienz der Platzierung flacher Zylinderhydrogele in einem Standard-Doppelschicht-Verdampfungssystem bewertet. Die Änderung der Wassermasse aufgrund der Verdunstung wird während eines einstündigen Tests bei einer Sonnenlichtintensität aufgezeichnet, wie in Abb. 6d dargestellt. Das Gesamtgewicht des verdunsteten Wassers beträgt 1,95 g und die Oberfläche der Hydrogelprobe beträgt 8,55 cm2. Daraus wird eine Verdunstungsrate von 2,28 kg m−2 h−1 ermittelt.

Im optimierten Verdunstungssystem ist die Verdunstungsrate der Proben mit dem kuppelförmig angeordneten Hydrogel im Vergleich zu der des regulären Doppelschichtsystems (ohne kuppelförmig angeordnetes Hydrogel und winzige Pfützenstruktur) um ~ 66,7 % erhöht. Dies beweist voll und ganz, dass mit der Vergrößerung der Verdunstungsfläche ausreichend Verdunstungsraum für Wasser geschaffen wird und die Verdunstungsleistung erheblich verbessert wird.

Bei solaren Verdunstungsvorrichtungen ist es notwendig, die Ansammlung von Salz während des Verdunstungsprozesses zu vermeiden. Der Auflösungsprozess von Salz auf der Oberfläche der Probe ist in Abb. 7 dargestellt. Es zeigt die Fähigkeit der Hydrogelprobe, Salz abzuleiten. Bei Kontakt mit Wasser beginnt sich das feste NaCl auf der oberen Schicht aufgrund der Bewegung und des Austauschs der Lösung innerhalb der Absorberschicht und des Wasserabgabesystems auf der Oberfläche des Geräts und unter der Isolierschicht aufzulösen. Nach etwa 6 Stunden entfernte das dreischichtige Gerät das Salz vollständig, was seine gute Salzentfernungskapazität zeigt.

Der Salzabweisungsfortschritt des Verdunstungsgeräts auf der Basis von Chitosan/PVA-Hydrogel mit Kuppelanordnung.

In dieser Arbeit wurde ein solarbetriebenes Wasserverdunstungssystem auf der Basis von kuppelförmig angeordneten Chitosan/PVA-Hydrogelen untersucht. Dieses System realisiert die Erwärmung und Verdunstung von Wasser durch die Nutzung von Sonnenenergie, was zu einer Dampferzeugung bei niedrigen Energiekosten führt und ein neues Material für die Süßwassergewinnung bereitstellt. Im Systemdesign wird erstmals eine Mikropfützenstruktur vorgeschlagen, die auf dem Doppelschicht-Verdampfungssystem basiert. Es wird eine Hydrogelprobe mit einer kuppelförmigen Struktur untersucht, wodurch die Struktur des Hydrogels von einer 2D-Geometrie auf eine 3D-Geometrie erweitert wird, was eine größere Verdampfungsfläche für den Verdampfer bietet. Die überlegene Lichtabsorptionsleistung von CNPs und die interne Porenstruktur des Hydrogelmaterials ermöglichen es dem System, mehr Sonnenenergie zu absorbieren und durch die kuppelförmige Struktur eine höhere Verdunstungseffizienz zu erreichen. Durch die Optimierung der geometrischen Parameter wird eine Steigerung der Verdunstungsrate von ~ 66,7 % von der regulären Doppelschichtstruktur zur winzigen Pfützenstruktur mit kuppelförmig angeordnetem Hydrogel-Absorber im Vergleich zum System ohne 3D-Hydrogel und Pfütze erreicht. Diese innovativen Ideen optimieren traditionelle Strukturen und können zu effizienteren und kostengünstigeren Entsalzungsanlagen führen, was einen bedeutenden Sprung in der Gewinnung erneuerbarer Energien und der Wasseraufbereitung für sich entwickelnde menschliche Gesellschaften darstellt.

Die Autoren erklären, dass die wichtigsten Daten, die die Ergebnisse dieser Studie stützen, in dem Papier enthalten sind. Alle weiteren relevanten Daten sind auf begründete Anfrage beim entsprechenden Autor erhältlich.

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Fakultät für Maschinenbau und Wirtschaftsingenieurwesen, Northeastern University, Boston, MA, 02115, USA

Minyue Zhu, Xiaojie Liu, Yanpei Tian, ​​​​Andrew Caratenuto, Fangqi Chen & Yi Zheng

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Minyue Zhu: Konzeptualisierung, Methodologie, Validierung, Schreiben. Xiaojie Liu, Yanpei Tian: Methodik, Schreiben – Überprüfung und Bearbeitung. Fangqi Chen, Andrew Caratenuto: Validierung, Schreiben – Überprüfung und Bearbeitung. Yi Zheng: Supervision, Schreiben – Überprüfung und Bearbeitung.

Korrespondenz mit Yi Zheng.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Zhu, M., Liu, X., Tian, ​​Y. et al. Kuppelförmiger Solarverdampfer auf Chitosan/PVA-Hydrogelbasis zur Dampferzeugung. Sci Rep 12, 4403 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-08589-z

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Eingegangen: 02. Oktober 2021

Angenommen: 01. März 2022

Veröffentlicht: 15. März 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-08589-z

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