隨著人類社會(huì)的快速發(fā)展,淡水資源的匱乏已成為人類社會(huì)有待解決的巨大難題。目前,數(shù)十億人飽受淡水短缺的影響。因此,提供充足的淡水是一項(xiàng)具有挑戰(zhàn)性的工作。界面光蒸汽轉(zhuǎn)換技術(shù)(ISSG)可以有效地從海水、湖水和工業(yè)廢水中獲取淡水,已成為解決淡水短缺最有前途的策略之一。為提高太陽(yáng)能蒸發(fā)器的光-蒸汽轉(zhuǎn)換性能,研究者通常選用各式各樣的親水基體來(lái)保證快速的水供應(yīng)。然而,過(guò)快的供水會(huì)使得蒸發(fā)器內(nèi)部存在大量未蒸發(fā)的水,這不僅浪費(fèi)了由光熱轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的能量,而且加劇了熱傳導(dǎo)損失,削弱了熱局域化效應(yīng)。這些阻礙了蒸發(fā)器水蒸發(fā)率的進(jìn)一步提高。
近日,鄭州大學(xué)劉文濤教授帶領(lǐng)的智能高分子材料團(tuán)隊(duì)(SPM)與鄭州大學(xué)胡俊華教授、湖北大學(xué)Muhammad Sultan Irshad博士合作,受阿拉伯圓頂建筑風(fēng)格的啟發(fā),通過(guò)在天然玉米秸稈(NCS)的空腔中發(fā)泡秸稈基光熱聚氨酯海綿(SPPU)得到太陽(yáng)能蒸發(fā)器。這種分層設(shè)計(jì)在ISSG期間將水截留在SPPU和NCS之間的界面處,從而平衡水的供應(yīng)和蒸發(fā),強(qiáng)化了熱局域化效應(yīng)。此外,阿拉伯圓頂式結(jié)構(gòu)的SSPU確保了在不同光入射角下的出色光熱轉(zhuǎn)換。制備的蒸發(fā)器在1個(gè)太陽(yáng)光照下顯示出出色的蒸發(fā)率(2.18 kg/m2/h),并且在一天的自然陽(yáng)光下的淡水產(chǎn)量可達(dá)3.58 kg/m2。
圖1秸稈衍生的3D太陽(yáng)能蒸發(fā)器的制備示意圖。
圖2(a和e)SPPU-0、(b和f)SPPU-1、(c和g)SPPU-2和(d和h)SPPU-3的SEM圖像。樣品的(i) 孔隙率,(j)密度,(k)光照下的表面溫度,以及(l)紅外熱成像圖。
圖3 不同的(a)HPC含量和(b)高度比例(空腔與吸管的高度比)對(duì)SPPU@NCS蒸發(fā)速率的影響。基于響應(yīng)面分析擬合的(c)三維曲面和(d)映射的模型。
圖4 在(a)黑暗和(b)光照下,漂浮在水面上的太陽(yáng)能吸收器的質(zhì)量隨時(shí)間的變化。(c) 穩(wěn)定ISSG期間太陽(yáng)能吸收器中的水分分布示意圖。(d)SPPU和(e)SPPU@NCS表面溫度分布的COMSOL模擬圖。(f)SPPU和SPPU@NCS的水蒸發(fā)性能。
圖5 在不同角度光照下,(a-c)圓柱形蒸發(fā)器和(d-f)阿拉伯式蒸發(fā)器表面溫度分布的COMSOL模擬圖,以及蒸發(fā)器的(g)表面溫度和(h)蒸發(fā)率圖。
研究者依托生物質(zhì)碳化和自由發(fā)泡技術(shù),設(shè)計(jì)了一種具有阿拉伯建筑風(fēng)格的太陽(yáng)能蒸發(fā)器。憑借分級(jí)水管理策略,在太陽(yáng)能海水淡化過(guò)程中建立了供水和蒸發(fā)之間的平衡關(guān)系,有效防止熱量損失到過(guò)量的未蒸發(fā)水,賦予了蒸發(fā)器穩(wěn)定且高效的蒸發(fā)性能。這項(xiàng)工作為設(shè)計(jì)具有可調(diào)水傳輸?shù)?/span>3D太陽(yáng)能凈水裝置提供了潛在途徑。
論文信息
Arabic-dome-inspired hierarchical design for stable and high-efficiency solar-driven seawater desalination
Changyuan Song , Muhammad Sultan Irshad, Yin Jin , Junhua Hu *, Wentao Liu *
Desalination 544 (2022) 116125
https://doi.org/10.1016/j.desal.2022.116125
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