海水淡化是應(yīng)對水資源短缺問題的一種有效手段?，F(xiàn)有的海水淡化技術(shù)主要包括反滲透、蒸餾和電滲析等，但這些技術(shù)通常存在能耗高、成本大和環(huán)境影響較大的問題。因此，研究人員一直在尋找更高效、更可持續(xù)的海水淡化材料和方法。近日，暨南大學化學與材料學院劉明賢教授團隊在《Chemical Engineering Journal》發(fā)表了題為3D printing of porous ceramic scaffold based halloysite clay for efficient seawater desalination的研究，設(shè)計一種新型的陶瓷材料，通過DIW墨水直寫陶瓷3D打印機制備成多孔陶瓷支架以提高海水淡化過程的效率。
Chemical Engineering Journal Volume 501, 1 December 2024, 157659 ELSEVIER
全球約96.5%的水存在于海洋中，由于海水含鹽量高，不能直接飲用。預(yù)計到2050年，全球87個國家將面臨水資源短缺的問題，迫切需要創(chuàng)新的清潔水生產(chǎn)和運輸技術(shù)。海水淡化是一種主要通過熱、機械或化學方法實現(xiàn)的淡水生產(chǎn)解決方案。太陽能蒸餾因其低成本和環(huán)保優(yōu)勢，尤其在光熱材料和結(jié)構(gòu)工程的快速發(fā)展背景下，成為一種具有前景的技術(shù)。
近年來，具有高光吸收和光熱轉(zhuǎn)換效率的光熱材料已被廣泛應(yīng)用于海水淡化，纖維材料能利用太陽輻射產(chǎn)生水蒸氣。一些研究也開發(fā)了高效的太陽能蒸發(fā)器，提升了蒸發(fā)速率和效率。但與二維蒸發(fā)器相比，三維多孔結(jié)構(gòu)的3D打印陶瓷支架更具耐用性和光吸收能力。
因此，本研究制備了一種基于埃洛石粘土納米管（HNTs）、硅酸鈉（SS）和聚乙二醇（PEG）的3D打印復合墨水，采用DIW墨水直寫3D打印和高溫燒結(jié)技術(shù)制造多孔陶瓷支架（PCS）。通過涂覆聚多巴胺（PDA），增強了支架的親水性和光熱性能。
(a) HNTs/SS/PEG陶瓷漿料的3D打印示意圖。(b) 不同HNTs質(zhì)量分數(shù)下HNTs/SS/PEG漿料的狀態(tài)。(c, d) 不同HNTs質(zhì)量分數(shù)的墨水的表觀粘度與剪切速率的關(guān)系，以及G′和G″與振蕩頻率掃描的關(guān)系。(e) 67 wt% HNTs/SS/PEG墨水的循環(huán)階梯應(yīng)變掃描測量。(f) G′、G″和復合粘度與溫度的關(guān)系。
(a) HNTs、SS和PEG之間的相互作用。(b) XRD。(c-d) FT-IR。(e) SS、PEG、HNTs粉末、HNTs/SS、HNTs/SS/PEG的Zeta電位值。(f) HNTs、PEG、HNTs/SS/PEG的熱重分析曲線。(g) 燒結(jié)前后XRD圖譜。
(a) 不同直徑噴嘴噴出的墨水的光學照片。(b) DIW 3D打印過程圖像。(c) 固化前后的結(jié)構(gòu)高度和穩(wěn)定性。(d,e,f) 用0.30 mm噴嘴打印的多孔結(jié)構(gòu)的光學照片和微觀結(jié)構(gòu)圖像。(g,h) 細絲逐層堆疊結(jié)構(gòu)。(i) 3D打印模型和相應(yīng)的陶瓷物體。
(a) 不同填充率的3D打印PCS。(b、c) 多孔結(jié)構(gòu)和孔徑的顯微圖像。(d) 不同填充率下的密度和孔隙率。(e) 填充率為70%時的壓縮性能。(f、g) 燒結(jié)前后樣品的表面和橫截面SEM圖像，以及(h、i) 元素含量的變化。
(a) PDA涂層制備過程示意圖。(b、c) 涂層PCS的SEM和EDS映射。
(a、b) 涂層陶瓷在干濕狀態(tài)下的表面溫度分布。插圖為實驗裝置和相應(yīng)的紅外圖像。(c、d) 陶瓷中水的質(zhì)量變化和蒸發(fā)速率隨時間的變化。(e) 不同填充率的涂層陶瓷的水蒸發(fā)性能。(f、g) 808nm激光輻照下涂層陶瓷的表面熱成像和溫度圖和(h) 不同功率下的水蒸發(fā)速率。
(a、b) 涂層陶瓷在不同鹽度溶液（3.5、7.0、15.0、20.0 wt% NaCl溶液）中的質(zhì)量變化和蒸發(fā)速率。(c) 涂層陶瓷在3.5 wt% NaCl溶液中連續(xù)蒸發(fā)速率變化。(d、e、f) 涂層陶瓷在渤海水中的循環(huán)和連續(xù)蒸發(fā)。(g) 涂層陶瓷10小時連續(xù)蒸發(fā)過程照片。(h) 7天連續(xù)蒸發(fā)過程中第一天輻照后和第二天開始輻照時拍攝的照片。
(a、b) 由PDA涂層PCS制成的太陽能海水凈化設(shè)備和室外海水淡化。(c) 實際的渤海海水樣品在淡化前后測量的鹽離子(Na+、K+、Mg2+和Ca2+)濃度。(d) 不同水樣的阻力：海水、淡化水、純水和自來水。
采用DIW直寫3D打印和高溫燒結(jié)技術(shù)制備了用于太陽能海水淡化的3D PCS。HNTs、SS和PEG之間的強相互作用使HNTs/SS/PEG復合墨水具有良好的打印適應(yīng)性和形狀保真度。復合墨水（HNTs固體含量為67wt％）在不同尺寸的噴嘴中表現(xiàn)出良好的打印適應(yīng)性，并且可以保持打印結(jié)構(gòu)的原始形狀而不會坍塌。3D PCS具有豐富的互連三維孔結(jié)構(gòu)，抗壓強度約為85 MPa。通過合理設(shè)計蒸發(fā)裝置，PDA涂覆的PCS在1個太陽輻射下實現(xiàn)了1.53 kg m-2h-1的高蒸發(fā)速率和84.2％的效率。涂層陶瓷在處理高濃度鹽水（20wt％NaCl溶液）和渤海海水時可實現(xiàn)水的持續(xù)快速蒸發(fā)。蒸發(fā)器還具有良好的室外蒸發(fā)和凈化能力。
全面解析森工DIW墨水直寫3D打印機在該類研究中功能匹配情況及需定制功能，幫助用戶更好地選擇合適的3D打印設(shè)備及功能模塊。
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