Performance of three-dimensional ladder-type solar evaporator based on Polypyrrole (PPy) photothermal particles immobilized on cellulose cotton

Abstract

Solar evaporation, utilizing the most abundant and clean energy source solar energy has shown promising potential in addressing global water scarcity. To improve the performance of solar evaporation systems, interfacial solar evaporators have been introduced. In this study, we propose an efficient and eco-friendly solution by integrating a 3D system inspired by ladder for interfacial solar evaporation. The structure of the ladder facilitates the vertical alignment of polypyrrole (PPy)-coated non-woven cotton fabric, enabling evaporation to occur within the spaces between the fibers. This arrangement enhances convective flow from side evaporation, thereby accelerating the evaporation process and improving overall efficiency. Under standard 1 kW m² solar irradiation, the evaporation rate reached a maximum of 2.115 kg m-² h⁻¹ based on total surface area and 3.359 kg m-² h⁻¹ based on effective surface area. Outdoor tests demonstrated impressive results, with daily freshwater production reaching 50.898 kg m-² day⁻¹ and 80.838 kg m-² day⁻¹, respectively. By harnessing natural energy, interfacial evaporation offers a sustainable solution to the high energy costs and environmental impacts associated with conventional desalination technologies. |본 논문은 태양 에너지는 가장 풍부하고 깨끗한 에너지원으로, 이를 활용한 태양 증발은 전 세계적인 물 부족 문제를 해결하는 데 유망한 가능성을 보여주고 있습니다. 태양 증발 시스템의 성능을 향상시키기 위해, 계면 태양 증발기가 도입되었습니다. 본 연구에서는 계면 태양 증발을 위해 사다리에서 영감을 얻은 3D 시스템을 통합한 효율적이고 친환경적인 해결책을 제안합니다. 사다리의 구조는 폴리피롤(PPy)로 코팅된 부직포 면직물을 수직으로 배열하여 섬유 사이 공간에서 증발이 일어나도록 하였습니다. 이 배열은 측면 증발로 인한 대류 흐름을 촉진하여 증발 과정을 가속화하고 전반적인 효율성을 향상시킵니다. 표준 1 kW m² 태양광 조사 하에서 총 표면적 기준 최대 증발 속도는 2.115 kg m-² h⁻¹, 유효 표면적 기준으로는 3.359 kg m-² h⁻¹에 도달했습니다. 실외 테스트에서도 놀라운 결과가 나타났으며, 일일 담수 생산량은 각각 50.898 kg m- ² day⁻¹ 및 80.838 kg m- ² day⁻¹에 도달했습니다. 자연 에너지를 활용함으로써 계면 증발은 기존의 담수화 기술과 관련된 높은 에너지 비용과 환경 영향을 줄일 수 있는 지속 가능한 해결책을 제공합니다.