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一種兼具海水吸收儲(chǔ)存、太陽能光熱轉(zhuǎn)化和海水蒸發(fā)功能的儲(chǔ)水材料
發(fā)布者:lzx | 來源:Science Bulletin | 0評(píng)論 | 13402查看 | 2019-09-16 18:23:44    

隨著人口的增長(zhǎng)和工業(yè)的發(fā)展,人類社會(huì)對(duì)淡水的需求日益增加。然而,與之相反,由于環(huán)境污染的影響,淡水資源日益匱乏,甚至已經(jīng)開始對(duì)人們的健康產(chǎn)生影響。海水淡化為解決淡水危機(jī)提供了一條有效和可靠的途徑。


近年來飛速發(fā)展的基于表面光熱水蒸發(fā)的太陽能光熱海水淡化技術(shù)可以在只需太陽光照的前提下進(jìn)行海水淡化,是一種經(jīng)濟(jì)、高效、環(huán)保的海水淡化方法。這種技術(shù)通常需要將光熱材料置于海水表面或上方,通過毛細(xì)管作用將海水輸送至光熱材料上表面,在太陽光的照射下,光熱材料表面迅速升溫,使其表面的海水迅速蒸發(fā)。


這種表面光熱水蒸發(fā)具有極高的能量轉(zhuǎn)化效率,因此在海水淡化應(yīng)用方面具有很大的前景?,F(xiàn)有的太陽能光熱海水淡化裝置設(shè)計(jì)通常都包含海水池、光熱材料及淡水收集池。在海水淡化過程中,需要在海水淡化裝置中注入一定量的海水,使得整個(gè)淡化裝置總重量增加,同時(shí)裝置中的液態(tài)海水在移動(dòng)的過程有可能濺出從而污染已收集的淡水,因此很難實(shí)現(xiàn)便攜式海水淡化。


為了解決這個(gè)問題,南澳大利亞徐浩蘭研究員團(tuán)隊(duì)開發(fā)設(shè)計(jì)了一種3D柱狀輕質(zhì)固體光熱儲(chǔ)水材料同時(shí)兼具海水吸收儲(chǔ)存、太陽能光熱轉(zhuǎn)化和海水蒸發(fā)的功能(圖1)。


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圖1:光熱儲(chǔ)水材料示意圖及實(shí)物圖


這種光熱儲(chǔ)水材料由吸水內(nèi)核和基于氧化還原石墨稀及凝膠的光熱外殼組成,光熱外殼同時(shí)具有鎖水功能,使得內(nèi)核儲(chǔ)存的海水即使受到輕度擠壓也不會(huì)外溢。光熱儲(chǔ)水材料儲(chǔ)存的海水足夠支持1–2天的光熱水蒸發(fā),因此在海水淡化過程中無需額外加入海水(圖2),使得整個(gè)海水淡化裝置的設(shè)計(jì)更加簡(jiǎn)化,重量更輕,也沒有純凈水再污染的風(fēng)險(xiǎn),實(shí)現(xiàn)便攜式海水淡化(圖3)。


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圖2:光熱儲(chǔ)水材料在模擬太陽光照下的水蒸發(fā)以及光熱蒸發(fā)過程中其上表面和側(cè)面的溫度。

整個(gè)蒸發(fā)過程中無需補(bǔ)充海水。


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圖3(a)簡(jiǎn)易海水淡化裝置示意圖,(b,c)海水淡化裝置戶外測(cè)試


光熱蒸發(fā)一段時(shí)間以后(1–2天),只需將光熱儲(chǔ)水材料浸泡于海水3–5分鐘,即可重新使用。另外,由于光熱儲(chǔ)水材料無需與外界海水接觸,因此沒有熱傳遞能量損失,同時(shí)材料暴露的表面積,也就是吸光面積和蒸發(fā)面積最大化,從而大大提高蒸發(fā)速度。此外,光熱儲(chǔ)水材料的側(cè)面,因?yàn)樵谡舭l(fā)過程中沒有受到陽光照射,其表面溫度低于環(huán)境溫度(圖2),因此可以從環(huán)境中吸收能量用于驅(qū)動(dòng)蒸發(fā),從而整個(gè)蒸發(fā)體系的能量轉(zhuǎn)換效率極高。經(jīng)測(cè)試,在一個(gè)太陽光強(qiáng)垂直照射下,光熱儲(chǔ)水材料的蒸發(fā)速率達(dá)到4kgm–2h–1(按投影面積計(jì)算),經(jīng)過一天的蒸發(fā),材料表面沒有形成積鹽。


該項(xiàng)目由南澳大學(xué)、南澳大學(xué)研究投資計(jì)劃:發(fā)展基金(Project No.100601)、黑龍江省華升石墨股份有限供司(Project No.100085)提供支持。

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