一種兼具海水吸收儲存、太陽能光熱轉化和海水蒸發功能的儲水材料
發布者:lzx | 來源:Science Bulletin | 0評論 | 1077查看 | 2019-09-16 18:23:44    

隨著人口的增長和工業的發展,人類社會對淡水的需求日益增加。然而,與之相反,由于環境污染的影響,淡水資源日益匱乏,甚至已經開始對人們的健康產生影響。海水淡化為解決淡水?;峁┝艘惶跤行Ш涂煽康耐揪?。


近年來飛速發展的基于表面光熱水蒸發的太陽能光熱海水淡化技術可以在只需太陽光照的前提下進行海水淡化,是一種經濟、高效、環保的海水淡化方法。這種技術通常需要將光熱材料置于海水表面或上方,通過毛細管作用將海水輸送至光熱材料上表面,在太陽光的照射下,光熱材料表面迅速升溫,使其表面的海水迅速蒸發。


這種表面光熱水蒸發具有極高的能量轉化效率,因此在海水淡化應用方面具有很大的前景。現有的太陽能光熱海水淡化裝置設計通常都包含海水池、光熱材料及淡水收集池。在海水淡化過程中,需要在海水淡化裝置中注入一定量的海水,使得整個淡化裝置總重量增加,同時裝置中的液態海水在移動的過程有可能濺出從而污染已收集的淡水,因此很難實現便攜式海水淡化。


為了解決這個問題,南澳大利亞徐浩蘭研究員團隊開發設計了一種3D柱狀輕質固體光熱儲水材料同時兼具海水吸收儲存、太陽能光熱轉化和海水蒸發的功能(圖1)。


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圖1:光熱儲水材料示意圖及實物圖


這種光熱儲水材料由吸水內核和基于氧化還原石墨稀及凝膠的光熱外殼組成,光熱外殼同時具有鎖水功能,使得內核儲存的海水即使受到輕度擠壓也不會外溢。光熱儲水材料儲存的海水足夠支持1–2天的光熱水蒸發,因此在海水淡化過程中無需額外加入海水(圖2),使得整個海水淡化裝置的設計更加簡化,重量更輕,也沒有純凈水再污染的風險,實現便攜式海水淡化(圖3)。


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圖2:光熱儲水材料在模擬太陽光照下的水蒸發以及光熱蒸發過程中其上表面和側面的溫度。

整個蒸發過程中無需補充海水。


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圖3(a)簡易海水淡化裝置示意圖,(b,c)海水淡化裝置戶外測試


光熱蒸發一段時間以后(1–2天),只需將光熱儲水材料浸泡于海水3–5分鐘,即可重新使用。另外,由于光熱儲水材料無需與外界海水接觸,因此沒有熱傳遞能量損失,同時材料暴露的表面積,也就是吸光面積和蒸發面積最大化,從而大大提高蒸發速度。此外,光熱儲水材料的側面,因為在蒸發過程中沒有受到陽光照射,其表面溫度低于環境溫度(圖2),因此可以從環境中吸收能量用于驅動蒸發,從而整個蒸發體系的能量轉換效率極高。經測試,在一個太陽光強垂直照射下,光熱儲水材料的蒸發速率達到4kgm–2h–1(按投影面積計算),經過一天的蒸發,材料表面沒有形成積鹽。


該項目由南澳大學、南澳大學研究投資計劃:發展基金(Project No.100601)、黑龍江省華升石墨股份有限供司(Project No.100085)提供支持。

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