News: 2023年度(第22回)粉体工学会APT賞に選出されました。This paper has been selected for the 2023 (22nd) Advanced Powder Technology (Elsevier) APT Distinguished Paper Award (Society of Powder Technology, Japan)
We developed a method called candle burning–assisted electrospinning for creating fibrous membranes embedded with soot particles, which can be used for solar distillation. This method allows for the one-step fabrication of these membranes.
ろうそく燃焼と電界紡糸法との組み合わせによる煤粒子入りの光熱材料繊維膜の作製とその太陽光蒸留への応用
深刻化する水不足問題に対処するため、海水淡水化技術の重要性が高まっている。しかし、従来の淡水化技術は高エネルギー消費や環境負荷などの課題を抱えている。そこで、私たちは新たなアプローチとして、ろうそくの燃焼を活用し、太陽光蒸留膜を効率的に作製する方法を試みた。この研究では、燃焼生成直後のすすを、空気中に浮遊している状態のまま、同時に電場で引っ張って高分子繊維に直接取り込みながら膜を作成することで、従来の方法では煩雑だった液中分散等の前処理工程を回避した。作成した膜では、太陽光の照射により、すすが効率的に光エネルギーを熱に変換し、水を蒸発させることを確認した。太陽光蒸留装置にこの膜を用いた実験では、モデル海水を1時間あたり1.6kg/m2、淡水化することができた。この研究は、水不足問題の解決に向けた大きな可能性を秘めており、従来の技術と比較して環境負荷も少なく、持続可能な技術となる可能性がある。
One-step fabrication of soot particle–embedded fibrous membranes for solar distillation using candle burning–assisted electrospinning ろうそくの煤粒子を電界紡糸繊維に埋め込んだ、太陽熱を活用した水蒸気発生材料のプロセス開発
Journal: Advanced Powder Technology (2023)
Author: Tiara N. Pratiwi, Masao Gen, I. Wuled Lenggoro
https://doi.org/10.1016/j.apt.2023.104190
Highlights
- Soot particles embedded in polymer membranes by burning candles.ロウソクを燃やしながら高分子繊維に埋め込まれたすす微粒子
- Solar distillation membranes fabricated in a single step. ワンステップ工程で製造された太陽熱型蒸留膜
- Position of soot particles did not affect photothermal conversion.すす粒子の位置は光熱変換に影響しなかった
- A significant increase in efficiency in solar thermal conversion: Heat localization enhancement of 194.5% achieved. 194.5%の熱局在増強を達成
- High rates of water evaporation and desalination under 1-sun. 太陽定数のエネルギー下での高い水分蒸発率と淡水化率
1 sun = 太陽定数の平均値、1平方メートルあたり約1,366ワット
太陽光エネルギーを熱エネルギーに変換して水を蒸発させる太陽蒸留は、水の浄化と淡水化に有望な技術である。太陽光を効率的に熱エネルギーに変換するためには、光熱変換材料が必要である。
この研究では、新規な方法として、すす（煤）エアロゾル（炭素系粒子）を高分子繊維膜に埋め込む方法を提案する。すすエアロゾルは、ろうそくを燃焼させることで生成し、高分子材料の静電紡糸と同時に膜に埋め込む。この方法は、高分子繊維の内部または外部に、さまざまな粒子位置の膜を数種類生成することができる。粒子位置は、ポリマー溶液のジェット（液柱）を使用して粒子導入点を変えることで調整される。数百ナノメートルの径のポリマー繊維が製造された。実験の結果、すす粒子位置は膜の光熱変換性能に影響しなかった。製造された膜は、1 sun太陽光照射下で、熱局在を最大194.5%向上させ、水蒸留率と淡水化率はそれぞれ1.60 kg m−2 h−1と1.55 kg m−2 h−1に達した。
Solar distillation, a promising technique for water purification and desalination, requires photothermal materials to efficiently convert solar energy into heat. In this study, a novel method is proposed wherein fresh carbonaceous (soot) particles, as a photothermal material, are embedded into electrospun fibrous membranes by burning candles (to produce soot) and electrospinning of polymer material simultaneously. The proposed method can produce several types of membranes with various particle positions (interior or exterior) in the polymer fiber. The particle positions were adjusted by changing the introduction points of particles using a polymer jet. Polymer fibers with diameters of several hundred nanometers were fabricated. Experiments revealed that the soot particle position did not influence the photothermal conversion performance of the membranes. The fabricated membrane could improve the heat localization up to 194.5% and exhibited water distillation and desalination rates as high as 1.60 and 1.55 kg m−2h−1, respectively, under 1-sun solar light irradiation. The proposed method opens a new route for the functionalization of polymer membranes.
Particles & Transfer 