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郑大刘文涛教授团队 Desalination:阿拉伯圆顶式分层设计实现稳定高效的太阳能海水淡化
2023-06-13  来源:高分子科技

  随着人类社会的快速发展,淡水资源的匮乏已成为人类社会有待解决的巨大难题。目前,数十亿人饱受淡水短缺的影响。因此,提供充足的淡水是一项具有挑战性的工作。界面光蒸汽转换技术(ISSG)可以有效地从海水、湖水和工业废水中获取淡水,已成为解决淡水短缺最有前途的策略之一。为提高太阳能蒸发器的光-蒸汽转换性能,研究者通常选用各式各样的亲水基体来保证快速的水供应。然而,过快的供水会使得蒸发器内部存在大量未蒸发的水,这不仅浪费了由光热转换产生的能量,而且加剧了热传导损失,削弱了热局域化效应。这些阻碍了蒸发器水蒸发率的进一步提高。



  近日,郑州大学刘文涛教授带领的智能高分子材料团队(SPM)与郑州大学胡俊华教授、湖北大学Muhammad Sultan Irshad博士合作,受阿拉伯圆顶建筑风格的启发,通过在天然玉米秸秆(NCS)的空腔中发泡秸秆基光热聚氨酯海绵(SPPU)得到太阳能蒸发器。这种分层设计在ISSG期间将水截留在SPPU和NCS之间的界面处,从而平衡水的供应和蒸发,强化了热局域化效应。此外,阿拉伯圆顶式结构的SSPU确保了在不同光入射角下的出色光热转换。制备的蒸发器在1个太阳光照下显示出出色的蒸发率(2.18 kg/m2/h),并且在一天的自然阳光下的淡水产量可达3.58 kg/m2。 



图1秸秆衍生的3D太阳能蒸发器的制备示意图。 



图2(a和e)SPPU-0、(b和f)SPPU-1、(c和g)SPPU-2和(d和h)SPPU-3的SEM图像。样品的(i) 孔隙率,(j)密度,(k)光照下的表面温度,以及(l)红外热成像图。



图3 不同的(a)HPC含量和(b)高度比例(空腔与吸管的高度比)对SPPU@NCS蒸发速率的影响。基于响应面分析拟合的(c)三维曲面和(d)映射的模型。



图4 在(a)黑暗和(b)光照下,漂浮在水面上的太阳能吸收器的质量随时间的变化。(c) 稳定ISSG期间太阳能吸收器中的水分分布示意图。(d)SPPU和(e)SPPU@NCS表面温度分布的COMSOL模拟图。(f)SPPU和SPPU@NCS的水蒸发性能。



图5 在不同角度光照下,(a-c)圆柱形蒸发器和(d-f)阿拉伯式蒸发器表面温度分布的COMSOL模拟图,以及蒸发器的(g)表面温度和(h)蒸发率图。



图6 (a)海水和SPPU@NCS的水蒸发情况.(b)SPPU@NCS在长周期太阳海水淡化中蒸发速率的变化图.(c)SPPU@NCS与报道的生物基蒸发器的性能对比图。(d)SPPU@NCS脱盐前后主要金属离子的浓度变化图。(e)用海水和净化后的水培育的西兰花的正面和俯视图,以及(f)西兰花茎长和(g)叶片湿重对比图。

  研究者依托生物质碳化和自由发泡技术,设计了一种具有阿拉伯建筑风格的太阳能蒸发器。凭借分级水管理策略,在太阳能海水淡化过程中建立了供水和蒸发之间的平衡关系,有效防止热量损失到过量的未蒸发水,赋予了蒸发器稳定且高效的蒸发性能。这项工作为设计具有可调水传输的3D太阳能净水装置提供了潜在途径。


  论文信息

  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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