“木材搭橋”助力光熱蒸發海水淡化效率實現新高
發布者:lzx | 來源: 高分子科技 | 0評論 | 1833查看 | 2020-05-08 15:55:36    

淡水資源短缺一直是困擾限制當今世界可持續發展的主要因素,相較于日漸緊張的內陸湖泊江河等淡水資源,海洋水體占據了世界上絕大部分的水資源儲量,因此將海洋水體轉化為可加以利用的淡水資源,近年來受到研究人員的普遍關注;相較于傳統的大規模海水淡化工藝如多級閃蒸、反滲透等,太陽能蒸發因其合理地利用可再生太陽能能源,低成本、低場地限制、經濟高效等優勢,漸漸成為極具應用前景的海水淡化手段。


但是近年來的相關研究普遍采用了一種光熱蒸發材料與海洋水體“緊密接觸”的適用方式,這種接觸方式會使得光熱轉換產生的熱量有很大一部分作為熱損失而傳遞至主體水相中,造成光熱蒸發的光能利用率普遍不高;同時,常規應用的多孔蒸發材料介質多為環境相容性較差的人造材料,在海水蒸發淡化過程中容易造成水體二次污染,同時其在使用之后的降解也會對水體環境造成一定影響。


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圖1.(a)天然木材中太陽能驅動蒸發系統圖解和與天然木材制作還原氧化石墨烯修飾的木材氣凝膠示意圖。(b)非直接接觸蒸發系統圖示,海水由還原氧化石墨烯修飾的木材氣凝膠的毛細作用力定向收集的。還原氧化石墨烯修飾的木材氣凝膠在表面進行光熱轉換并誘導蒸發,同時還原氧化石墨烯修飾的木材氣凝膠在空氣區進行自然對流。(c)利用還原氧化石墨烯修飾的木材氣凝膠纖維的毛細管力定向收集海水。(d)光熱轉換與自然對流的協同促進蒸發示意圖。


基于上述實際應用需求與當前研究存在的問題,研究人員利用天然木材纖維定向排列的結構特點,通過選擇性去除木質素、半纖維素后,制備得到了同時能夠定向高效收集海水且可彎折卷曲的木材衍生天然氣凝膠材料,其表面修飾光熱涂層后能夠高效地進行光熱轉換激發的海水蒸發。


在此基礎之上,研究人員獨辟蹊徑地將這種材料設計成一種“非直接接觸式”的懸掛式太陽能海水蒸發器件,將可彎折的木材氣凝膠材料做成了“連接橋”式的結構,懸掛在海水水槽之間,進而避免了光熱蒸發材料與水相緊密接觸造成的熱損失與光能利用率的下降;利用這種方式,“連接橋”式的蒸發期間能夠在一個自然光強度(1kW·m-2)下實現1.351kg·m-2·h-1的蒸發速率,同時光熱轉換利用率高達90.89%,相較于傳統的“緊密接觸”式太陽能蒸發,極大地提升了光能利用率。


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圖2.(a,b,c)天然木材、木材氣凝膠與還原氧化石墨烯修飾的木材氣凝膠形貌,隨后依次對應其各自XY、XZ、YZ平面的掃描電子顯微鏡圖像。(d,e)氧化石墨烯和還原氧化石墨烯的高分辨透射電鏡圖像。(f)還原氧化石墨烯修飾的木材氣凝膠的形狀折疊和彎曲示意,隨后依次對應其XZ平面和YZ平面彎曲區域的掃描電子顯微鏡圖像。(g,h)氧化石墨烯修飾的木材氣凝膠和還原氧化石墨烯修飾的木材氣凝膠在XY平面各自的C和O的EDX分布圖。(i)氧化石墨烯修飾的木材氣凝膠和還原氧化石墨烯修飾的木材氣凝膠的拉曼光譜。


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圖3.(a)天然木材、木材氣凝膠與還原氧化石墨烯修飾的木材氣凝膠沿X與Z軸的導熱系數。(b)由光熱轉換和自然對流驅動的光熱蒸發系統示意圖。(c)海水-空氣界面的紅外熱成像圖,(d)漂浮在海水上的還原氧化石墨烯修飾的木材氣凝膠的紅外熱成像圖,(e)懸掛在海水槽之間的還原氧化石墨烯修飾的木材氣凝膠的紅外熱成像圖。(f)海水,海水槽之間懸掛的木材氣凝膠,漂浮在海水上的還原氧化石墨烯修飾的木材氣凝膠以及懸掛在海水槽之間的還原氧化石墨烯修飾的木材氣凝膠的蒸發界面的溫度變化。(g)上述四種條件下的蒸發率。(h)上述四種條件下的蒸發效率和蒸發速率比較。(i)上述四種情況的總溫升、氣液界面最高溫度。


研究人員還通過有限元模擬多物理場分析的輔助手段,分析了天然木材氣凝膠結構對海水定向收集的影響,以及懸掛式的光熱蒸發作用方式對光熱轉換利用率提升作用機制的分析;得出天然木材氣凝膠中干濕部分間相互作用導致的芯吸效應是實現高效海水定向收集的主要推動力;而非接觸式蒸發的效率提高,主要得益于自然空氣對流的輔助作用,這是由于光熱轉換進程會強制光熱蒸發期間附近的空氣場由于溫差存在產生自然對流,同時將產生的蒸汽帶出,進而在光熱蒸發的基礎上相對提高了實際蒸發量,促進了光熱蒸發過程的進行,進而提高了整體的光熱轉換利用效率。


研究人員對光熱蒸發后產生的淡水水體也進行了質量把控,其主要離子脫除率也符合世界衛生組織(WHO)所制定的相關標準,使得這一材料體系同時具有極高的光熱轉換利用效率、低毒性、較好的生物相容性,且具備極好的實際應用潛力,對于高效海水淡化提出了一些新的見解與機理解釋。



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圖4.(a,b,c)分別是海水在天然木材、木材氣凝膠與還原氧化石墨烯修飾的木材氣凝膠表面的潤濕性,所有的測量表面都設定在XY平面,海水水滴大小為5μL。(d,e,f)分別是木材氣凝膠、天然木材和纖維素紙對毛細力促進海水(油墨染色)收集的比較(收集方向沿著纖維排列方向)。(g,h,andi)分別是木材氣凝膠、天然木材和纖維素紙對毛細力促進海水收集的比較(收集方向垂直于纖維排列方向)。(j)懸掛式還原氧化石墨烯修飾的木材氣凝膠系統定向海水收集圖示。(k)懸掛式還原氧化石墨烯修飾的木材氣凝膠系統中海水飽和吸附量隨時間變化的模擬。(l)收集海水的上升長度隨時間變化。(m)根據Lucas-Washburn方程計算的實際海水收集量與理想海水收集量的比較。(n)天然木材,纖維素紙,木材氣凝膠和還原氧化石墨烯修飾的木材氣凝膠分別的海水收集能力的比較。


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圖5.(a)模擬還原氧化石墨烯修飾的木材氣凝膠模型中接近氣液界面的自然對流區。(b)模擬還原氧化石墨烯修飾的木材氣凝膠基體與氣相場在氣液界面附近的溫度分布隨時間的變化。


上述工作近期以“Enhanced Directional Seawater Desalination Usinga Structure-Guided Wood Aerogel”為題發表在美國化學學會旗下材料學國際知名期刊ACS Applied Materials&Interfaces,該論文第一作者為東北林業大學材料學院2018級碩士研究生晁偉翔,東北林業大學材料學院王成毓教授與哈爾濱工業大學環境學院賀詩欣教授為該論文共同通訊作者。該工作受到國家自然科學基金項目支持。

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