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东北林大王成毓教授、哈工大贺诗欣教授《ACS AMI》: “折一折” 木材搭桥助力光热蒸发海水淡化效率实现新高
2020-05-07  来源:高分子科技

  淡水资源短缺一直是困扰限制当今世界可持续发展的主要因素,相较于日渐紧张的内陆湖泊江河等淡水资源,海洋水体占据了世界上绝大部分的水资源储量,因此将海洋水体转化为可加以利用的淡水资源,近年来受到研究人员的普遍关注;相较于传统的大规模海水淡化工艺如多级闪蒸、反渗透等,太阳能蒸发因其合理地利用可再生太阳能能源,低成本、低场地限制、经济高效等优势,渐渐成为极具应用前景的海水淡化手段。


  但是近年来的相关研究普遍采用了一种光热蒸发材料与海洋水体“紧密接触”的适用方式,这种接触方式会使得光热转换产生的热量有很大一部分作为热损失而传递至主体水相中,造成光热蒸发的光能利用率普遍不高;同时,常规应用的多孔蒸发材料介质多为环境相容性较差的人造材料,在海水蒸发淡化过程中容易造成水体二次污染,同时其在使用之后的降解也会对水体环境造成一定影响。


图1。 (a)天然木材中太阳能驱动蒸发系统图解和与天然木材制作还原氧化石墨烯修饰的木材气凝胶示意图。(b)非直接接触蒸发系统图示,海水由还原氧化石墨烯修饰的木材气凝胶的毛细作用力定向收集的。还原氧化石墨烯修饰的木材气凝胶在表面进行光热转换并诱导蒸发,同时还原氧化石墨烯修饰的木材气凝胶在空气区进行自然对流。(c)利用还原氧化石墨烯修饰的木材气凝胶纤维的毛细管力定向收集海水。(d)光热转换与自然对流的协同促进蒸发示意图。


  基于上述实际应用需求与当前研究存在的问题,研究人员利用天然木材纤维定向排列的结构特点,通过选择性去除木质素、半纤维素后,制备得到了同时能够定向高效收集海水且可弯折卷曲的木材衍生天然气凝胶材料,其表面修饰光热涂层后能够高效地进行光热转换激发的海水蒸发;在此基础之上,研究人员独辟蹊径地将这种材料设计成一种“非直接接触式”的悬挂式太阳能海水蒸发器件,将可弯折的木材气凝胶材料做成了“连接桥”式的结构,悬挂在海水水槽之间,进而避免了光热蒸发材料与水相紧密接触造成的热损失与光能利用率的下降;利用这种方式,“连接桥”式的蒸发期间能够在一个自然光强度(1kW·m-2)下实现1.351 kg·m-2·h-1的蒸发速率,同时光热转换利用率高达90.89%,相较于传统的“紧密接触”式太阳能蒸发,极大地提升了光能利用率。


图2. (a, b, c) 天然木材、木材气凝胶与还原氧化石墨烯修饰的木材气凝胶形貌,随后依次对应其各自XY、XZ、YZ平面的扫描电子显微镜图像。(d, e) 氧化石墨烯和还原氧化石墨烯的高分辨透射电镜图像。(f) 还原氧化石墨烯修饰的木材气凝胶的形状折叠和弯曲示意,随后依次对应其XZ平面和YZ平面弯曲区域的扫描电子显微镜图像。(g, h) 氧化石墨烯修饰的木材气凝胶和还原氧化石墨烯修饰的木材气凝胶在XY平面各自的C和O的EDX分布图。(i) 氧化石墨烯修饰的木材气凝胶和还原氧化石墨烯修饰的木材气凝胶的拉曼光谱。


图3。 (a) 天然木材、木材气凝胶与还原氧化石墨烯修饰的木材气凝胶沿X与Z轴的导热系数。(b)由光热转换和自然对流驱动的光热蒸发系统示意图。(c)海水-空气界面的红外热成像图,(d)漂浮在海水上的还原氧化石墨烯修饰的木材气凝胶的红外热成像图,(e)悬挂在海水槽之间的还原氧化石墨烯修饰的木材气凝胶的红外热成像图。(f)海水,海水槽之间悬挂的木材气凝胶,漂浮在海水上的还原氧化石墨烯修饰的木材气凝胶以及悬挂在海水槽之间的还原氧化石墨烯修饰的木材气凝胶的蒸发界面的温度变化。(g)上述四种条件下的蒸发率。(h) 上述四种条件下的蒸发效率和蒸发速率比较。(i)上述四种情况的总温升、气液界面最高温度。


  研究人员还通过有限元模拟多物理场分析的辅助手段,分析了天然木材气凝胶结构对海水定向收集的影响,以及悬挂式的光热蒸发作用方式对光热转换利用率提升作用机制的分析;得出天然木材气凝胶中干湿部分间相互作用导致的芯吸效应是实现高效海水定向收集的主要推动力;而非接触式蒸发的效率提高,主要得益于自然空气对流的辅助作用,这是由于光热转换进程会强制光热蒸发期间附近的空气场由于温差存在产生自然对流,同时将产生的蒸汽带出,进而在光热蒸发的基础上相对提高了实际蒸发量,促进了光热蒸发过程的进行,进而提高了整体的光热转换利用效率。研究人员对光热蒸发后产生的淡水水体也进行了质量把控,其主要离子脱除率也符合世界卫生组织(WHO)所制定的相关标准,使得这一材料体系同时具有极高的光热转换利用效率、低毒性、较好的生物相容性,且具备极好的实际应用潜力,对于高效海水淡化提出了一些新的见解与机理解释。


图4。 (a, b, c) 分别是海水在天然木材、木材气凝胶与还原氧化石墨烯修饰的木材气凝胶表面的润湿性,所有的测量表面都设定在XY平面,海水水滴大小为5μL。(d, e, f) 分别是木材气凝胶、天然木材和纤维素纸对毛细力促进海水(油墨染色)收集的比较(收集方向沿着纤维排列方向)。(g, h, and i) 分别是木材气凝胶、天然木材和纤维素纸对毛细力促进海水收集的比较(收集方向垂直于纤维排列方向)。(j) 悬挂式还原氧化石墨烯修饰的木材气凝胶系统定向海水收集图示。(k) 悬挂式还原氧化石墨烯修饰的木材气凝胶系统中海水饱和吸附量随时间变化的模拟。(l) 收集海水的上升长度随时间变化。(m) 根据Lucas-Washburn方程计算的实际海水收集量与理想海水收集量的比较。(n) 天然木材, 纤维素纸, 木材气凝胶和还原氧化石墨烯修饰的木材气凝胶分别的海水收集能力的比较。


图5. (a) 模拟还原氧化石墨烯修饰的木材气凝胶模型中接近气液界面的自然对流区。(b) 模拟还原氧化石墨烯修饰的木材气凝胶基体与气相场在气液界面附近的温度分布随时间的变化。


  上述工作近期以“Enhanced Directional Seawater Desalination Using a Structure-Guided Wood Aerogel”为题发表在美国化学学会旗下材料学国际知名期刊ACS Applied Materials & Interfaces,该论文第一作者为东北林业大学材料学院2018级硕士研究生晁伟翔,东北林业大学材料学院王成毓教授与哈尔滨工业大学环境学院贺诗欣教授为该论文共同通讯作者。该工作受到国家自然科学基金项目支持。


  论文链接:https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.0c05902

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