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東北林大孫壯志課題組與香港城大王鉆開教授、ECU張來昌教授JMCA:玉米秸稈制造高效太陽能蒸發器用于海水淡化
2019-12-10  來源:高分子科技

  眾所周知,水資源與能源匱乏成為全球面臨的嚴峻挑戰。針對地表存在廣袤的海水資源,使用太陽能天然能源實現對海水蒸發實現淡化方法即界面光熱原理的太陽能海水蒸發淡化方法是獲取清潔淡水資源的一條嶄新出路。

  最近,隨著太陽能界面蒸發海水淡化技術的發展,通過改善各類光吸收體光熱吸收能力從而達到提升蒸發效率獲得深入研究,推動了太陽能海水淡化技術的發展。然而,高效界面光熱的太陽能蒸發器需要包含寬頻的光吸收、熱量轉換、水分傳導及水分蒸發四個關鍵因素,過去的研究默認了水分傳導能夠滿足光熱轉換的需要,研究集中于光熱轉換效率提升太陽能蒸發器的蒸發效率,水分傳導特性對提升界面水分蒸發效率問題往往被學者們忽略。因此,水分傳導特性對界面水分蒸發效率提升至關重要,有待于深入研究。

  自然界中生物有機體(樹木、蘑菇等)具有天然水分蒸騰通道,這些通道內部微納多孔結構決定其具有不同毛細水分傳導能力。玉米秸稈是一種高產的禾本科植物,莖髓飽滿柔軟類似海綿,由疏松排列的多孔基礎組織以及分散有不同孔徑的線性維管束組成,這種微孔結構組成使玉米秸稈相對于其他有機體在水分傳導速度方面體現出絕對優勢。

  近日,東北林業大學的孫壯志副教授課題組與香港城市大學王鉆開教授、澳大利亞埃迪斯科文大學張來昌教授合作報道了一種以高速毛細水分傳導的玉米秸稈莖髓為研究對象,通過涂覆多壁碳納米管與二氧化鈦光熱涂層制造了一種廉價玉米秸稈基的太陽能蒸發器,具有高速毛細管水分傳遞與清潔多孔基本組織過濾特性,能夠實現高效的太陽能海水蒸發淡化,如圖1~圖2所示。

圖1玉米秸稈制備太陽能蒸發器的結構示意與蒸發原理

圖2玉米秸稈的莖髓的微觀結構與表面光熱涂層微觀結構

  相比于其他生物有機體(特別是木材等),這種太陽能蒸發器具有超快速的毛細管水輸送、多層海鹽自清潔、大容量海水儲納、長期耐海水腐蝕、較低的熱導性及優異水分蒸發性能,1.5 s能夠實現徑向長度1 mm的玉米秸稈的100 %的表面水分吸附(水分傳導速度快于對比組的相同尺寸巴沙木的10倍),且一個光照強度下使用常規光熱涂層的最高水分蒸發比達2.48 kg m-2 h-1(顯著優于以報道過的生物有機體的水分蒸發比)。這些優勢顯著歸因于玉米秸稈骨髓的自然結構特征,包括超親水特性的分散維管束可實現水的高速水分輸送,以及具有層層生物過濾且多孔腔體的基礎組織可實現淡水的多級過濾、海水的運輸和存儲、較低的水分焓值和熱量損失,如圖3~圖5所示。

圖3 木材與秸稈在水分傳導特性對比圖

圖4 不同涂層的玉米秸稈表面光熱轉換特性

圖5 水分蒸發特性、抗腐蝕特性、海水滲透特性

  此外,課題設計了一種低成本捆綁式玉米秸稈基太陽能海水淡化淡水收集裝置,如圖6所示,通過對收集淡水水質中陽離子與陰離子基團測試,滿足世界衛生組織(WHO)淡水飲用標準,每單位面積的平均淡水產量為4.3~5.8 kg m-2(晴天)與3.0~3.9 kg m-2(陰天),能滿足多名成年人日常飲用淡水需求(WHO標準:200 mL/人)。該工作提出了一種將玉米秸稈用做廉價、穩定且高效的光熱轉換器件應用于海水淡化實現變廢為寶的可能性,也為秸稈焚燒帶來的溫室效應提供解決思路,促進生物質資源的高效利用。

圖6 太陽能海水蒸發淡化收集裝置及淡水收集特性

  上述成果以《High-efficiency Solar Desalination Evaporator Composite of Corn Stalk, Mcnt and TiO2: Ultra-fast Capillary Water Moisture Transportation and Porous Bio-tissues Multi-layers Filtration》為題發表在Journal of Materials Chemistry A (JMCA, 2019,  DOI: 10.1039/C9TA10898J)上,論文的第一作者為東北林業大學孫壯志副教授,香港城市大學王鉆開教授及埃迪斯科文大學張來昌教授為共同通信作者,東北林業大學為第一完成單位,該研究已獲得國家自然基金項目(51905085)與中國博士后特別資助項目(2019T120245)的資助。

  論文鏈接:https://pubs.rsc.org/en/content/articlehtml/2019/ta/c9ta10898j

【作者簡介】

孫壯志,副教授、博士生導師,現任職于東北林業大學機電工程學院,研究興趣:仿生制造、智能材料(柔性驅動與傳感)、納米發電與收集等

【參考文獻】

1. Sun Zhuangzhi, Li Zhaoxin, Li Wenzong, Bian Fuguo. Mesoporous cellulose/TiO2/SiO2 /TiN-based nanocomposite hydrogels for efficient solar steam evaporation: low thermal conductivity and high light-heat conversion. Cellulose, doi: 10.1007/s10570-019-02823-0 (2019).

(https://link.springer.com/article/10.1007/s10570-019-02823-0)

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(責任編輯:xu)
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