当前位置>> 首页>>科技资讯
Nat.Nano:利用分层纳米结构凝胶实现高效的太阳能水蒸发
2018-12-10   科技处  责编:王晓佳  阅读9360次
[字体:  ]  

随着世界人口不断增加,水资源短缺问题日益严重。除了提升现有淡水资源的利用率外,海水淡化、污水处理与回用等也被认为是缓解当前水资源短缺状况的关键手段。太阳能水蒸发是收集太阳能来净化污水或含盐水的有效方式。传统的太阳能水蒸发通常采用聚光器加热水面达到足够高的温度来产生大量蒸气,但是聚光型太阳能热装置需要巨大投资和占用较大空间。近几年,太阳能水蒸发技术发展为利用光热转换材料将吸收的太阳光能直接、高效地转化为热能,对空气-水界面局部加热或对部分液体加热,进行太阳能驱动的水蒸发,从而实现含盐水的脱盐,其脱盐效率与光热转换材料的性能密切相关。因此,目前太阳能驱动水蒸发技术的研究主要集中于提高材料的光热转换效率以及降低蒸发过程的热损失,以实现太阳能的高效利用。

美国德克萨斯大学奥斯汀分校Guihua Yu教授研究团队开发了一种分层纳米结构凝胶(HNG)光热转换材料。该材料由相互贯穿的聚乙烯醇(PVA)和聚吡咯(PPy)构成,以PVA分子链交联成三维网络结构形成凝胶骨架,再经冷冻-融化循环处理引发的物理交联效应进一步形成内部大孔结构。同时,PPy分子团在PVA物理交联过程中起到模板作用,促使该复合凝胶内部形成了的微通道。HNG可以原位地利用太阳光能转化为热能并驱动PVA网络分子网格中包含的水进行蒸发。同时该材料的三级多孔结构可调控内部水输送,有利于加快水分的蒸发。由PVA分子链形成分子网络将水分子限制在分子网格内,避免水对流引起的热损失,同时可降低水的蒸发焓以加速水蒸发。凝胶内部的大孔结构和微通道可将水分从底部水体吸收输送到凝胶表面,实现持续的水蒸发。

HNG材料可被用作独立的太阳能水蒸发器。在1 kW·m-2光照强度下,照射500 s即可使HNG材料迅速升温至40 °C左右,可实现高达3.2 kg·m-2·h-1的蒸发速率,太阳能利用效率高达94%HNG材料之所以能实现如此高的水蒸发速率,主要得益于其三级多孔结构将热量限制在分子网格中,在太阳光照射下,分子级网格中水蒸发的潜热大幅降低,能量损失大大减少,有望在弱日光条件下实现快速高效率的海水淡化。将漂浮的HNG材料置于模拟海水中进行脱盐,可使水中盐度显著下降约四个数量级,比世界卫生组织和美国环境保护署规定的饮用水还低约两个数量级。采用HNG材料对墨西哥湾的实际海水进行膜覆盖脱盐处理后,水中Na+Mg2+K+Ca2+四种离子的浓度比采用热蒸馏处理的浓度更低,有力地证明了HNG光热材料在海水淡化方面的优良性能。

为了探索HNG光热材料的实用性能,研究团队模仿家用太阳能海水淡化设备制作了太阳能海水淡化系统,并考察了该系统在室外自然光照条件下的脱盐能力。实验结果证明,在实际太阳光照射12 h(从08:0020:00)条件下,该系统中每平米HNG材料一天可生产1823升淡水。因此,HNG材料在海水淡化的实际应用中表现出巨大潜力。

1. 基于可调控水输送的HNG高效太阳能蒸气产生示意图。(aHNG由分层多孔结构组成,包括内部大孔、微米通道和分子网络,其中太阳能吸收器(PPy)穿透于凝胶中高分子PVA的网络。(b)典型的太阳能蒸汽系统示意图及水限制和传输过程。在太阳辐射下,浮动的HNG分子网格中的太阳能吸收器被加热,促进限制在聚合物网络中的水分子蒸发。(1)水被限制在分子网格内,降低蒸发焓。凝胶内部的微通道和大孔结构分别通过水扩散(2)和水泵送(3)迅速补充凝胶中蒸发的水分

2. HNG材料的太阳能光热脱盐性能和持久性。(a)三种模拟海水经HNG材料脱盐处理前后的盐度,其中虚线为世界卫生组织(WHO)和美国环境保护署(EPA)规定的饮用水盐度标准。(bHNG持续暴露于1 kW·m-2光照下50 h的太阳能水蒸发效率测试结果。(c)实际海水中四种主要离子在HNG光热脱盐前后的浓度变化。(dHNG材料长时间浸泡在海水中的太阳能水蒸发效率,证明其具有持续的脱盐性能。其中插入小图表示HNG浸泡在海水中第1天和第28天时太阳能蒸气产生情况

3. 基于HNG搭建的室外自然光太阳能海水淡化系统。(a)大片的HNG材料照片。(b)该太阳能海水淡化系统中水接收器的示意图。(c)基于HNG的太阳能水净化系统模拟实际净水设备,包括太阳能水蒸发系统、盐水供水罐和纯水储水罐。(d)某晴天08:0020:00室外太阳光辐射强度变化。(e)室外自然光太阳能海水淡化系统在12小时内的纯水生产量变化(蓝色实线),以及系统内温度(红色虚线表示HNG表面温度,绿色虚线表示系统内部空气温度,紫色虚线表示冷凝器温度,橙色虚线表示盐水温度)和湿度(背景颜色)变化情况

该项研究发表于国际顶级期刊《Nature Nanotechnology》上:Fei Zhao, Xingyi Zhou, Ye Shi, Xin Qian, Megan Alexander, Xinpeng Zhao, Samantha Mendez, Ronggui Yang*, Liangti Qu* and Guihua Yu*, Highly efficient solar vapour generation via hierarchically nanostructured gels, Nature Nanotechnology, 2018, 13: 489–495. (译文:代云容/水资源与环境学院)

附件:20181127085924842272.pdf (2.5473824MB)
打印本页 |