淡水資源短缺一直是困擾限制當(dāng)今世界可持續(xù)發(fā)展的主要因素，相較于日漸緊張的內(nèi)陸湖泊江河等淡水資源，海洋水體占據(jù)了世界上絕大部分的水資源儲量，因此將海洋水體轉(zhuǎn)化為可加以利用的淡水資源，近年來受到研究人員的普遍關(guān)注；相較于傳統(tǒng)的大規(guī)模海水淡化工藝如多級閃蒸、反滲透等，太陽能蒸發(fā)因其合理地利用可再生太陽能能源，低成本、低場地限制、經(jīng)濟高效等優(yōu)勢，漸漸成為極具應(yīng)用前景的海水淡化手段。
但是近年來的相關(guān)研究普遍采用了一種光熱蒸發(fā)材料與海洋水體“緊密接觸”的適用方式，這種接觸方式會使得光熱轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的熱量有很大一部分作為熱損失而傳遞至主體水相中，造成光熱蒸發(fā)的光能利用率普遍不高；同時，常規(guī)應(yīng)用的多孔蒸發(fā)材料介質(zhì)多為環(huán)境相容性較差的人造材料，在海水蒸發(fā)淡化過程中容易造成水體二次污染，同時其在使用之后的降解也會對水體環(huán)境造成一定影響。
圖1. (a)天然木材中太陽能驅(qū)動蒸發(fā)系統(tǒng)圖解和與天然木材制作還原氧化石墨烯修飾的木材氣凝膠示意圖。(b)非直接接觸蒸發(fā)系統(tǒng)圖示，海水由還原氧化石墨烯修飾的木材氣凝膠的毛細(xì)作用力定向收集的。還原氧化石墨烯修飾的木材氣凝膠在表面進行光熱轉(zhuǎn)換并誘導(dǎo)蒸發(fā)，同時還原氧化石墨烯修飾的木材氣凝膠在空氣區(qū)進行自然對流。(c)利用還原氧化石墨烯修飾的木材氣凝膠纖維的毛細(xì)管力定向收集海水。(d)光熱轉(zhuǎn)換與自然對流的協(xié)同促進蒸發(fā)示意圖。
基于上述實際應(yīng)用需求與當(dāng)前研究存在的問題，研究人員利用天然木材纖維定向排列的結(jié)構(gòu)特點，通過選擇性去除木質(zhì)素、半纖維素后，制備得到了同時能夠定向高效收集海水且可彎折卷曲的木材衍生天然氣凝膠材料，其表面修飾光熱涂層后能夠高效地進行光熱轉(zhuǎn)換激發(fā)的海水蒸發(fā)；在此基礎(chǔ)之上，研究人員獨辟蹊徑地將這種材料設(shè)計成一種“非直接接觸式”的懸掛式太陽能海水蒸發(fā)器件，將可彎折的木材氣凝膠材料做成了“連接橋”式的結(jié)構(gòu)，懸掛在海水水槽之間，進而避免了光熱蒸發(fā)材料與水相緊密接觸造成的熱損失與光能利用率的下降；利用這種方式，“連接橋”式的蒸發(fā)期間能夠在一個自然光強度（1kW·m-2）下實現(xiàn)1.351 kg·m-2·h-1的蒸發(fā)速率，同時光熱轉(zhuǎn)換利用率高達90.89%，相較于傳統(tǒng)的“緊密接觸”式太陽能蒸發(fā)，極大地提升了光能利用率。
圖2. (a, b, c) 天然木材、木材氣凝膠與還原氧化石墨烯修飾的木材氣凝膠形貌，隨后依次對應(yīng)其各自XY、XZ、YZ平面的掃描電子顯微鏡圖像。(d, e) 氧化石墨烯和還原氧化石墨烯的高分辨透射電鏡圖像。(f) 還原氧化石墨烯修飾的木材氣凝膠的形狀折疊和彎曲示意，隨后依次對應(yīng)其XZ平面和YZ平面彎曲區(qū)域的掃描電子顯微鏡圖像。(g, h) 氧化石墨烯修飾的木材氣凝膠和還原氧化石墨烯修飾的木材氣凝膠在XY平面各自的C和O的EDX分布圖。(i) 氧化石墨烯修飾的木材氣凝膠和還原氧化石墨烯修飾的木材氣凝膠的拉曼光譜。
圖3. (a) 天然木材、木材氣凝膠與還原氧化石墨烯修飾的木材氣凝膠沿X與Z軸的導(dǎo)熱系數(shù)。(b)由光熱轉(zhuǎn)換和自然對流驅(qū)動的光熱蒸發(fā)系統(tǒng)示意圖。(c)海水-空氣界面的紅外熱成像圖，(d)漂浮在海水上的還原氧化石墨烯修飾的木材氣凝膠的紅外熱成像圖，(e)懸掛在海水槽之間的還原氧化石墨烯修飾的木材氣凝膠的紅外熱成像圖。(f)海水，海水槽之間懸掛的木材氣凝膠，漂浮在海水上的還原氧化石墨烯修飾的木材氣凝膠以及懸掛在海水槽之間的還原氧化石墨烯修飾的木材氣凝膠的蒸發(fā)界面的溫度變化。(g)上述四種條件下的蒸發(fā)率。(h) 上述四種條件下的蒸發(fā)效率和蒸發(fā)速率比較。(i)上述四種情況的總溫升、氣液界面最高溫度。
研究人員還通過有限元模擬多物理場分析的輔助手段，分析了天然木材氣凝膠結(jié)構(gòu)對海水定向收集的影響，以及懸掛式的光熱蒸發(fā)作用方式對光熱轉(zhuǎn)換利用率提升作用機制的分析；得出天然木材氣凝膠中干濕部分間相互作用導(dǎo)致的芯吸效應(yīng)是實現(xiàn)高效海水定向收集的主要推動力；而非接觸式蒸發(fā)的效率提高，主要得益于自然空氣對流的輔助作用，這是由于光熱轉(zhuǎn)換進程會強制光熱蒸發(fā)期間附近的空氣場由于溫差存在產(chǎn)生自然對流，同時將產(chǎn)生的蒸汽帶出，進而在光熱蒸發(fā)的基礎(chǔ)上相對提高了實際蒸發(fā)量，促進了光熱蒸發(fā)過程的進行，進而提高了整體的光熱轉(zhuǎn)換利用效率。研究人員對光熱蒸發(fā)后產(chǎn)生的淡水水體也進行了質(zhì)量把控，其主要離子脫除率也符合世界衛(wèi)生組織（WHO）所制定的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，使得這一材料體系同時具有極高的光熱轉(zhuǎn)換利用效率、低毒性、較好的生物相容性，且具備極好的實際應(yīng)用潛力，對于高效海水淡化提出了一些新的見解與機理解釋。
圖4. (a, b, c) 分別是海水在天然木材、木材氣凝膠與還原氧化石墨烯修飾的木材氣凝膠表面的潤濕性，所有的測量表面都設(shè)定在XY平面，海水水滴大小為5μL。(d, e, f) 分別是木材氣凝膠、天然木材和纖維素紙對毛細(xì)力促進海水（油墨染色）收集的比較（收集方向沿著纖維排列方向）。(g, h, and i) 分別是木材氣凝膠、天然木材和纖維素紙對毛細(xì)力促進海水收集的比較（收集方向垂直于纖維排列方向）。(j) 懸掛式還原氧化石墨烯修飾的木材氣凝膠系統(tǒng)定向海水收集圖示。(k) 懸掛式還原氧化石墨烯修飾的木材氣凝膠系統(tǒng)中海水飽和吸附量隨時間變化的模擬。(l) 收集海水的上升長度隨時間變化。(m) 根據(jù)Lucas-Washburn方程計算的實際海水收集量與理想海水收集量的比較。(n) 天然木材, 纖維素紙, 木材氣凝膠和還原氧化石墨烯修飾的木材氣凝膠分別的海水收集能力的比較。
圖5. (a) 模擬還原氧化石墨烯修飾的木材氣凝膠模型中接近氣液界面的自然對流區(qū)。(b) 模擬還原氧化石墨烯修飾的木材氣凝膠基體與氣相場在氣液界面附近的溫度分布隨時間的變化。
上述工作近期以“Enhanced Directional Seawater Desalination Using a Structure-Guided Wood Aerogel”為題發(fā)表在美國化學(xué)學(xué)會旗下材料學(xué)國際知名期刊ACS Applied Materials & Interfaces，該論文第一作者為東北林業(yè)大學(xué)材料學(xué)院2018級碩士研究生晁偉翔，東北林業(yè)大學(xué)材料學(xué)院王成毓教授與哈爾濱工業(yè)大學(xué)環(huán)境學(xué)院賀詩欣教授為該論文共同通訊作者。該工作受到國家自然科學(xué)基金項目支持。
論文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.0c05902
