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Jul 27, 2023

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volume di acqua pulita npj 6,

npj クリーン ウォーター 6 巻、記事番号: 12 (2023) この記事を引用

1537 アクセス

1 オルトメトリック

メトリクスの詳細

界面太陽エネルギー蒸発は、現在の世界的なきれいな水資源の不足を軽減する効果的な手段です。 しかし、多くの太陽熱蒸発器は、ホスト材料の表面に光吸収材料をコーティングすることによって開発された二次元（2D）構造のデバイスであり、太陽熱蒸気の発生効率には限界があります。 このため、本研究では、基板として柔軟な木材と光吸収材料としてタンニン酸錯体を使用し、さらに畳み込み。 合理的な構造設計と材料の組み合わせにより、エバポレーターは優れた防カビ性と高効率の蒸発性能を発揮します。 黒色の装飾により木材の光吸収が大幅に改善され、その結果、200 ～ 800 nm の波長範囲で DW-TA-Fe3+ の高い吸収率 (>90%) が得られます。 木製コーン型蒸発器の水の蒸発速度は最大 1.79 kg m-2 h-1 に達し、2D 蒸発器の約 1.6 倍になります。 さらに、この蒸発器は優れた生物学的安定性と効果的な脱塩性能を示します。 この研究は、効果的な太陽熱水淡水化のための 3D 木製蒸発器の設計に新しい方向性を提供すると期待されています。

きれいな水の不足は、人口ブームと産業の発展により、今日の主要な差し迫った課題となっています1、2、3。 この問題を軽減するために、電気透析4、膜蒸留5、逆浸透6、多重効用蒸留（MED）、吸着脱塩（AD）7、8、9、10、11、12などの多くの技術が、クリーンな目的で使用されてきました。しかし、水の生産はプロセスが比較的複雑でコストが高いため適用が限られており、プロセスが比較的複雑でコストが高く、標準の普遍的性能比が低いため（10〜13％と計算されました）、適用が制限されています。標準一次エネルギーに基づく）13． 淡水化に利用される太陽界面蒸発は、淡水資源不足を緩和するための効果的かつ持続可能な方法である14、15、16、17。 従来の太陽熱蒸発（大量の水を加熱する）18、19、20、21とは異なり、この技術は特定の構造を使用してエネルギーを光吸収層に閉じ込め、構造表面での水の蒸発を可能にし、熱損失を効果的に低減します。より高い蒸発効率を達成します22、23、24、25、26、27。

ナノ金属イオン 28、酸化グラフェン 29、ポリピロール 30 など、さまざまな光熱材料が太陽界面蒸着システムに導入されています。光熱蒸着装置の吸収率を向上させ、熱損失を低減することにより、効率的な蒸着性能が達成されています 31、32、33。 34、35、36、37。 Zhuらは、金属ナノ粒子を天然木材に装飾することで、 は、200 ～ 2500 nm の波長範囲で 99% という高い吸収率を持つプラズモニック材料を設計しました 38。 フェンら。 メラミンスポンジ（MS）を焼成することにより太陽熱蒸発器を考案しました。 断熱材を備えた焼成 MS は、超高速の太陽蒸発速度 (1.98 kg m-2 h-1) と高い光熱効率 (~92%) を達成しました 39。 ヤンら。 は、氷の結晶をテンプレートとして使用した低温水熱還元と大気乾燥によって、95％の太陽エネルギー変換効率を備えた超軽量トウモロコシストロー/グラフェンエアロゲルを研究しました40。 低コストの天然木材は、その微細孔構造と優れた親水性により、太陽熱淡水化用の蒸発器として使用されました。 ほとんどの研究では、天然木の横断面および縦断面に光吸収材料をコーティングすることによって平面デバイスを構築しました41、42、43、44。 これらの技術には複雑な製造と低い蒸発速度という問題があり、蒸着性能のさらなる向上が必要です。 しかし、材料の選択は効率のボトルネックに達しており、エネルギー変換効率の理論的限界をさらに押し上げることは困難です。

最近、理論効率の限界を突破するために、太陽熱蒸発器は元の 2D 構造から 3D 構造に拡張されました。 2D 蒸着器と比較して、3D バージョンは蒸着面積が大きく、拡散反射が少ないため、より優れた蒸着性能を示しました45,46,47,48,49,50,51,52,53,54,55。 たとえば、Cao et al. は、3.5% 人工海水に対して 14 日間 1.713 kg m-2 h-1 の安定した蒸発速度を実現する ASA 3D コニカル Janus 蒸発器を開発しました56。 王ら。 らは、ポリピロール (PPy) コーティングを施した人工光熱円錐を作製し、太陽光変換効率が平面フィルムよりも約 1.7 倍高かった57。 劉ら。 は、光から蒸気への効率が理論限界を超え、217% に達した高性能 3D 光熱触媒球形蒸発器を報告しました。 ただし、比較的複雑な準備にはまださらなる改善が必要です。

ここでは、木材の柔軟性処理、光熱材料の充填、および構造設計を通じて、木材ベースの円錐型蒸発器が開発されました。 脱リグニンにより木材の柔軟性と親水性が向上しました。 黒色タンニン酸複合体は、太陽光熱収集の主材料として使用されました。 合理的な構造設計により、素子表面で光の多重反射が発生し、乱反射が低減され、光の吸収が促進されます。 したがって、この木製コーン蒸発器を使用することにより、蒸発速度と効率は最大 1.79 kg m-2 h-1 に達しました。 さらに、この蒸発器は効率的な脱塩と優れた安定性を実証しました。 総合すると、この高効率で安定性の高い木材円錐型蒸発装置は、太陽光発電の淡水化に大きな期待を寄せています。

自然の植物の蒸散に触発されたこの研究では、DW 表面にタンニンと鉄イオンを連続的にロードすることにより、木製の円錐形蒸発器を設計しました。 従来の木材蒸発装置とは異なり、この作業では木材にアルカリ亜硫酸塩処理を施し、部分的なリグニンとヘミセルロースを除去し、木材の柔軟性を大幅に向上させ、木材の剛性による木材の 3D 構造成形の不可能性を克服しました。 第一段階では、親水性と柔軟性が向上したDWが得られました。 2段階の浸漬処理後、タンニン酸とFe3+の間の錯形成作用のおかげで、木材上の光吸収層は元の淡黄色から黒色に変わりました（図1aおよび補足図1）。 3Dコーン蒸発器は、太陽光海水淡水化用の黒色光吸収層を備えた柔軟な木材をさらに手作業で切断し、成形することによって最終的に得られました（図1b）。

a 光熱変換ツキ板の作製模式図。 b 3Dウッドコーンエバポレーター。

木材の特徴的な階層的多孔質構造は、毛細管現象による迅速な水の輸送と優れた断熱性に有益でした 60,61。 SEM画像（図2a1、a2）に示されているように、ポプラ材には大量のチャネルが垂直に整列しており、主に木の繊維と導管で構成されていました42。これらは脱リグニンとコーティング後のポプラ単板からよく保存されていました（図2b1） 、c1)。 さらに、高倍率画像では、木の細胞壁表面にいくつかの球体、つまりDW-TA-Fe3+上のタンニン酸錯体が示されました（図2c3）。 これらの長手方向に平行なチャネルは、血管壁に沿って分布するピットによって接続されていました（図2c2）。 3D 水輸送ネットワークは、木材内部の縦方向の水路と横方向の穴で構成されていました。 さらに、部分的なリグニンを除去した後、元の密集した細胞壁は高度に緩んだ骨格に進化し、細胞壁内のよく整列したセルロースナノファイバーがはっきりと露出し（補足図2）、木材の親水性が向上し、熱伝導率が低下しました。 さらに、リグニンの除去により木材の剛性が低下し、木材の柔軟性が増加したため、円錐形のデバイスの構築が可能になりました。 折り畳み中の強度は、破壊することなく最大180°に達しました（補足図3）。

a、b 木材と DW の光学画像。 a1、b1 接線断面の木材とDWのSEM画像。 a2、b2 DWと木材の断面のSEM画像。 c DW-TA-Fe3+ の微細形態。 c6 DW-TA-Fe3+ の EDS マッピング画像。

木材の化学官能基の変化を、さまざまな処理段階でFTIR分光法によって分析しました。 図 3a は、それぞれ木材、DW、DW-TA-Fe3+ の化学官能基を示しています。 見てわかるように、リグニンとヘミセルロースの官能基はアルカリ硫酸塩処理後に弱まり、ヘミセルロースの C=O とアセトキシの伸縮振動吸収ピークはそれぞれ 1738 と 1235 cm−1,62 であったのに対し、特徴的な官能基はリグニンの濃度は 1635、1506、および 1463 cm-1,63 でした。 しかし、DW-TA-Fe3+ のスペクトログラムでは 1722 cm-1 に特徴的なピークが見つかり、これはタンニン酸の C=O のピークに属していました 64,65。 化学組成の結果分析でもこの結果が確認されました（図3b）。 上記の結果から、アルカリ硫酸塩処理により木材中の成分の一部、すなわちリグニンとヘミセルロースが除去されることが確認された。 さらに、XPS パターンは、木材サンプルの化学元素組成と化学結合の状況をさらに調査するために使用されました。 図3cに示すように、DW-TA-Fe3+のXPS調査スペクトルは3つの主要な特徴的なピークを示し、そのうちC1s、O1s、およびN1sの結合エネルギーは284.6、532.2、および399.5 eVでした。 Fe2p (710.6 eV) シンボルはタンニン酸錯体から開始されました。 DW-TA-Fe3+ の高分解能 C1s スペクトルは、それぞれ CC、CO、および C=O に関連する 284.8、286.5、および 288.2 eV の 3 つのピークを示しました (図 4)。 O1のスペクトルにより、CO（532.8 eV）、C=O（532.1 eV）、およびO-Fe（531 eV）の3つのピークがそれぞれ明らかになりました（図3d）。 O-Fe 化学結合は、タンニン酸上のフェノール性ヒドロキシル基が脱水素化されて Fe3+ とキレートを形成することに起因すると考えられました（補足図 5）。 酸素含有量の増加と DW-TA-Fe3+ 内の O-Fe 化学結合の存在は、タンニン酸複合体が木材の表面にロードされたことを示しました (補足表 1)。 この観察は、DW-TA-Fe3+表面上のC、O、およびFe元素のEDSマッピング画像によって裏付けられました（図2c6および補足図6）。

a 木材、DW および DW-TA-Fe3+ の FTIR スペクトル。 b 木材および DW 中のセルロース、ヘミセルロース、およびリグニンの相対含有量。 c 木材および DW-TA-Fe3+ の XPS 調査スペクトル。 d 高分解能の O1s ピーク。

a 木材、DW および DW-TA-Fe3+ の接触角。 b 木材と DW-TA-Fe3+ の吸収。 c 3D木製コーン蒸発器の表面温度曲線。 d 暗条件および 1 つの太陽照度における 3 つの蒸発システムの水質量変化。 e 天然木材の熱伝導率とDW。

優れた親水性は、太陽界面蒸発の前提条件です。 図4aに示すように、木材と比較して、DWは比較的疎水性のリグニンが除去されているため、より高い吸水効率を示しました。 水滴はわずか 3 秒で DW に完全に吸収されました。 DW は TA-Fe3+ コーティング後も親水性を維持しました。 さらに、メチルオレンジ（MO）溶液を使用した木材とDWサンプルの水輸送能力の評価により、DW基材の水輸送能力がより強力であることが明らかになりました（補足図7）。 リグニンを除去すると、木材の親水性が高まるだけでなく、熱伝導率も低下します63,66。 乾燥状態では、木材とDWの熱伝導率はそれぞれ0.1455と0.1200 W/mkでした（図4e）。 脱リグニン処理により木材の親水性、断熱性、多孔性が高まり、蒸発速度が増加しました。 木材および DW-TA-Fe3+ の吸光度は、UV-Vis-NIR 分光計を使用して観察されました。 図4bに示すように、DW-TA-Fe3+は、黒色タンニン酸複合体のコーティングと木材内部の多孔質構造に起因して、200〜2500 nmの波長範囲でより高い吸収能力を示しました。 図 4c は、赤外線熱画像によって得られた模擬太陽放射中の DW-TA-Fe3+ 蒸発器、DW 蒸発器、および水の表面温度変化曲線を示しています。 1 時間後、円錐形のキャビティ表面での複数の光の反射により、3D 木製蒸発器の温度は 39 °C に上昇しました (補足図 8)。DW-TA-Fe3+ 蒸発器の熱性能は、DW-TA-Fe3+ 蒸発器よりも大幅に高くなります。他の2つのエバポレーター。

3Dコーン蒸発器の光熱変換と蒸発を研究するために、自家製の水蒸発装置を使用して、蒸発中の水の質量変化を測定しました（補足図9）。 パールコットンフォームリング (熱伝導率 0.02965 W/m k) を使用して蒸発器を固定し、断熱して熱損失を低減しました 39,67,68。 図 4d は、水、2D、および 3D 蒸発器 (投影面積が同じ) の蒸発速度を示しています。 2D 蒸発器と比較して、3D コーン蒸発器は同じ試験条件下で水の蒸発を大幅に加速し、蒸発速度は 1.79 kg m-2 h-1 と高く、水 (0.22 kg) の約 8 倍と 1.6 倍でした。 m−2 h−1）および2D蒸発器（1.11 kg m−2 h−1）は、他の多くの太陽蒸気発電システムよりも高く、3D木製コーン蒸発器の優れた蒸発性能を示唆しています。

さらに、デバイスと水の接触面積も蒸発性能に影響を与える重要な要素です。 このため、蒸発器を水に浸す高さを制御することにより、3つのシステムの蒸発性能を調査しました（図5aを参照）。 図 5c は、赤外線熱画像装置によって記録された、太陽光から熱への変換中のデバイスの表面温度の変化を示しています。 60 分間の照射後、デバイス表面 (h = 5 mm) の温度は大幅に上昇し、38.8 °C に達しました。 しかし、水に浸した蒸発器全体の温度はわずか36℃でした。 図5dに示すように、水との接触面積が最小限のデバイスの蒸発速度は最大1.78 kg m-2 h-1に達しましたが、水に浸された蒸発器全体の蒸発速度はわずか1.18 kg m-2 h-1でした。 。 図5bに示すように、水に完全に浸されたデバイスは多くの熱を失い、バルク水の温度が大幅に上昇しました。 したがって、デバイスと水の接触面積は合理的に制御され、太陽光吸収層からバルク水へのエネルギー損失が防止されました。

a さまざまな水中の高さでのデバイスの概略図。 b 3 つの蒸発システムの表面温度画像。 c 3 つの蒸発システムの表面温度変化。 d 3 つの蒸発システムの水質量変化。

さらに、3D 木製コーン蒸発器の脱塩性能を評価するために、東シナ海から得られた海水を天日蒸発と天日蒸発時の精製水の収集に使用しました。 イオン濃度の検出には、誘導結合プラズマ質量分析法 (ICP-MS) が使用されました。 図6aおよび補足表2に示すように、脱塩後の海水中の主要イオン（Na +、Mg2+、K+、およびCa2+）の濃度は、それぞれ2.01、0.22、0.48、および0.04 mg L-1であり、はるかに低かった。世界保健機関が定めた飲料水の基準値を超えています。 さらに、補足図10は、脱塩前後の海水のpH、総溶解固形分（TDS）、および導電率の結果を示しています。 希薄水の pH は 6.59、導電率は 318 us/cm、TDS 値は 19 ppm でした。 テスト結果は飲料水の衛生基準 (GB 5749–2006) を満たしており、3D 木製コーン蒸発器の良好な脱塩性能が示されています。 図6bは蒸発器の安定性能を示しており、10回繰り返し使用した後でも蒸発速度は1.62 kg m-2 h-1に達する可能性があります。 補足図11は、30日間の長期保管におけるDW-TA-Fe3+の蒸発速度を示しています。 蒸発速度は長期保管後も安定しています。明らかに、蒸発速度も測定期間全体にわたって安定しており、これは間違いなく DW-TA-Fe3+ デバイスの安定性とリサイクル性が良好であることを示しています。 生物学的安定性をさらにテストするために、木材と DW-TA-Fe3+ をそれぞれ自然太陽光の下で 15 日間水中に置きました。 図6c、eに示すように、木材の表面には明らかなカビの斑点が観察されましたが、DW-TA-Fe3+には明らかなカビの斑点はなく、木材が湿った状態で真菌に感染していることがわかりました。 SEM を使用して木材と DW-TA-Fe3+ の表面形態をさらに観察しました。 図6d、fに示すように、木材の溝には多くの菌糸体が覆われていました。 木材と比較して、DW-TA-Fe3+ の表面および内部には明らかな菌糸体の凝集は見られず、優れた防カビ性を示しました。 自然太陽光下で30日間浮かせた後のDW-TA-Fe3+表面の結果分析でも、この結果が確認されました（補足図12）。 アルカリ亜硫酸塩処理により、部分ヘミセルロース（単糖類とカビの栄養素のヘテロポリマー）が原木から除去されるため、木材にカビ抵抗性が付与されました。 さらに、タンニンの優れた抗菌効果もカビの予防に役立ちます69,70。 結果は、3D 木製コーン蒸発器が満足のいく安定性を持っていることを示しました。

a 海水および脱塩水の Na+、Mg2+、K+、Ca2+ のイオン濃度。 b DW-TA-Fe3+ のサイクル性能。 c、d 自然光の下に15日間浮かべた後の木材表面の形態。 e、f 自然太陽光下で 15 日間浮遊させた後の DW-TA-Fe3+ 表面の形態。

自作の天日蒸留装置を用いて、自然太陽光下でのDW-TA-Fe3+の水蒸発性能を測定しました。 図 7a は、屋外実験 (8:00 ～ 16:00) 中の淡水収集プロセスを示しています。 自然太陽光の下では、DW-TA-Fe3+ 表面から蒸気が発生しました。 そして真水はガラスドームの内壁で凝縮し、最終的にサイドダクトから注がれます。 8時間の蒸発後、約9 mLの淡水が側管から収集され、対応する蒸発速度は1.59 kg m-2 h-1に達しました（図7b）。 DW-TA-Fe3+ は、自然太陽照度が実験でシミュレートされた 1 つの太陽光強度よりも低かったため、実験室テスト条件下と比較して弱い蒸発効果を示しました。 (1 kW m−2)。 DW-TA-Fe3+ のコストは 0.12 ドルと計算されました (補足表 3)。 この研究と他の研究との間の材料成分、性能、およびコストの比較を補足表4に示しました。結果は、DW-TA-Fe3+が効率的で実用的な蒸発器であることを示しました。 一方、成人 1 人の 1 日あたりの水消費量 (2 ～ 3 L) は、平均約 0.66 kW m-2 の自然太陽光下で 2 時間後に 1 m2 の装置 (3.18 kg) で生成できます。

a 屋外での水の蒸発実験。 b 8:00 ～ 16:00、周囲温度、湿度、日射強度は変化します。

要約すると、自然の植物の蒸散にヒントを得て、化学修飾とデバイス構造設計により高効率の円錐形木製光熱蒸発器を開発しました。 デバイスの蒸発効率は、1 回の太陽光の下で 1.79 kg m-2 h-1 に達しました。さらに、アルカリ亜硫酸塩処理とタンニン複合体の添加により、防カビ時の蒸発性能の向上に役立ち、デバイスを長時間水に浸漬した後でも満足のいく生体安定性を達成することができました。 30日まで。 DW-TA-Fe3+ は、低コスト、容易な調製、および環境に優しいという特性を示し、高効率の太陽エネルギー生成のための新しいアイデアを提供します。

タンニン酸 (TA) と硫酸鉄水和物 (Fe2S3O12・xH2O) は Macklin によって提供され、光吸収材料の構築に使用されました。 光熱木材の製造には、基材としてポプラ単板が使用されました。 亜硫酸ナトリウム (Na2SO3) と水酸化ナトリウム (NaOH) は Sinopharm Chemical によって提供され、木材からのリグニンの除去に使用されました。 実験全体を通じて脱イオン水を使用しました。

サイズ 90 mm × 90 mm × 0.55 mm (接線方向 × 縦方向 × 半径方向) の単板を 2.5 M NaOH と 0.4 M Na2SO3 の混合溶液に浸漬 (7 時間、100 °C) した後、沸騰水に浸漬しました。脱リグニン木材 (DW) を得るために、化学薬品を数回除去します71。

まず、DWをTA水溶液(4%w/v)に室温で12時間浸漬してDW-TAを調製した。 その後、得られた DW-TA を 4% w/v Fe2S3O12・xH2O 水溶液に室温で 2 時間浸漬し、DW 表面上で TA と Fe3+ の錯化反応を実現させました。 その後、DW-TA-Fe3+ を直径 42 mm の円形に切り出し、円錐形に丸めました。 最後に、コーンを金型で固定し、3D 木製コーン蒸発器を作成しました。

木材、DW、および DW-TA-Fe3+ の微細トポグラフィーを SEM (TM3030、日立、日本) によって調査しました。 DW-TA-Fe3+ の表面元素分布は、SEM-EDS (SU8010、日立、日本) マッピング システムによって測定されました。 表面化学官能基、組成、および結合価数は、FTIR (IR-Prestige 21、島津製作所、日本) XPS (Thermo Scientific K-Alpha、Thermo Fisher Scientific、ドイツ) を使用して分析されました。 木材の組成はパラダイム洗浄によって決定されました (GB/T20805-2006 および GB/T20806-2006 規格)。 木材と DW-TA-Fe3+ の太陽光吸収特性は、UV-vis-NIR (UV 3600Plus、島津製作所、日本) を使用して 200 ～ 2500 nm の範囲で検出されました。 親水性は、OCA100接触角システム(Dataphysics、ドイツ)によって評価した。 収集した水中の金属イオンの濃度は、ICP-MS (Agilent 720ES、島津、日本) 誘導結合プラズマ質量分析計によって評価されました。

3Dコーンエバポレーターは直径30mmのパールコットンフォームリングで容器内の水面に固定されました。 太陽熱による水の蒸発性能は、標準太陽光スペクトル (AM 1.5 G) のソーラー シミュレーター (CEL-HXF300H5、中国) を使用してテストされました。 質量変化の記録には、精度 0.1 mg の電子天秤 (FA200、中国) を使用しました。 蒸発器の表面温度は赤外線カメラ（DS-2TPH10-3AUF）で測定しました。

この研究の結果を裏付けるデータは、合理的な要求に応じて責任著者から入手できます。

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この研究は、中国国家自然科学財団 (32001257 および 31971739) の支援を受けました。

浙江工科大学化学材料工学部、杭州、311300、中国

Meihua Xie、Ping Zhang、Yizhong Cao、Yutao Yan、Zhe Wang、Chunde Jin

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MX は実験を実施し、記事を執筆しました。 PZ は実験、分析、結果の議論を支援しました。 YC、YY、CJ、ZW は研究テーマと執筆、レビューと編集を提案しました。

Zhe Wang または Chunde Jin との通信。

著者らは競合する利害関係を宣言していません。

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転載と許可

Xie、M.、Zhang、P.、Cao、Y. 他。 高効率の太陽熱蒸気発生のための三次元防カビ木製コーン蒸発器。 npj クリーン ウォーター 6、12 (2023)。 https://doi.org/10.1038/s41545-023-00231-3

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受信日: 2022 年 9 月 13 日

受理日: 2023 年 2 月 10 日

公開日: 2023 年 2 月 20 日

DOI: https://doi.org/10.1038/s41545-023-00231-3

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