機能性ナノ材料を活用したハイブリッド太陽熱蒸留による海水淡水化技術の開発

利用功能性纳米材料的混合太阳能蒸馏技术开发海水淡化技术

• 批准号: 22KF0139
• 负责人: 藤井 学
• 金额: $ 1.92万
• 依托单位: Tokyo Institute of Technology
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• 财政年份: 2023
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2023-03-08 至 2024-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-22KF0139/
• 关键词: 太陽熱蒸留技術; 新機能性材料; 淡水化収量; 装置設計デザイン

本研究では、再生可能エネルギーである太陽熱を利用して海水淡水化可能な太陽熱蒸留技術の開発に取り組む。特に、集光性や伝熱性の高い新機能性材料を開発・活用することで、蒸留プロセスの高度化と淡水化収量の増加を図るとともに、淡水化収量の高い蒸留装置デザイン設計を行う。研究初年度は、太陽エネルギーを効率よく吸収する新規材料として、可視光や近赤外光の吸収特性が高いナノ粒子や複合体を複数の方法で合成した。具体的には、キトサンや酸化グラフェン、ニッケルなどを原材料としナノ粒子ならびに複合体を調子した。キトサンナノ粒子の合成では、酢酸やトリポリリン酸ナトリウムなどを用い、酸化ニッケルナノ粒子は塩化ニッケル六水和物や水酸化ニッケルなどから合成された。また、ナノ粒子の複合材の合成も行い、合成されたナノ粒子を適量水に添加し（例えば、0.1%など）、ナノ流体を作成した。合成されたナノ材料は、フーリエ変換赤外分光法（FT-IR）分析、X線回折法（XRD）分析、走査電子顕微鏡（SEM）分析ならびにエネルギー分散型X線分光法（EDX）分析などにより物性分析された。特に、キトサン-酸化グラフェン複合体は、他のナノ粒子と比較して高い吸光性を示すことが明らかとなった。従って、太陽熱蒸留の新機能性材料として有効であることが示唆された。一方、効率的な太陽熱蒸留装置の設計という観点から、複数の装置デザイン設計を行い、また、予備的な熱・物質移動シミュレーションを実施することで、階段型蒸留装置などがより効率的な太陽光吸収・淡水化収量を可能とするということが示唆された。

在这项研究中，我们将开发太阳能蒸馏技术，可以利用太阳热（一种可再生能源）淡化海水。特别是通过开发和利用具有高聚光性和导热性的新型功能材料，提高蒸馏工艺的复杂度和提高海水淡化率，设计出高海水淡化率的蒸馏设备。在第一年的研究中，我们采用多种方法合成了具有高可见光和近红外光吸收性能的纳米粒子和复合材料，作为有效吸收太阳能的新材料。具体来说，他们使用壳聚糖、氧化石墨烯和镍等原材料制备纳米颗粒和复合材料。采用乙酸、三聚磷酸钠等合成壳聚糖纳米颗粒，采用六水氯化镍、氢氧化镍等合成氧化镍纳米颗粒。他们还合成了纳米粒子的复合材料，并将适量合成的纳米粒子添加到水中（例如0.1％）以制造纳米流体。利用傅里叶变换红外光谱（FT-IR）、X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）和能量色散X射线光谱（EDX）对合成的纳米材料进行了物理性能分析。特别是，与其他纳米颗粒相比，壳聚糖-氧化石墨烯复合材料表现出更高的光吸收率。因此，表明它作为一种新的太阳能蒸馏功能材料是有效的。另一方面，从设计高效的太阳能蒸馏设备的角度出发，我们设计了多种设备设计，并进行了初步的传热/传质模拟，从而可以更有效地利用分级蒸馏设备等步骤。可以实现海水淡化产量。

项目成果

Water distillation tower: Experimental investigation, economic assessment, and performance prediction using optimized machine-learning model

• DOI: 10.1016/j.jclepro.2023.135896
• 发表时间: 2023-01
• 期刊: Journal of Cleaner Production
• 影响因子: 11.1
• 作者: Ammar H. Elsheikh;E. El-Said;M. A. Abd Elaziz;Mana Fujii;H. El-Tahan

Enhancing performance of solar distillers using functional materials

使用功能材料提高太阳能蒸馏器的性能

• 发表时间: 2022
• 作者: Elsheikh Ammar H.;El-Said Emad M.S.;Abd Elaziz Mohamed;Fujii Manabu;El-Tahan Hamed R.;Ammar Elsheikh and Manabu Fujii
• 通讯作者: Ammar Elsheikh and Manabu Fujii