美國東北大學(xué)祝紅麗教授團(tuán)隊(duì)《JMCA》:耐用、抗污的多孔絲瓜絡(luò)用于高效太陽能淡化海水

水污染和淡水資源短缺正在成為值得人類認(rèn)真考慮的全球性問題,從海水或廢水中脫鹽和凈化水,是滿足全球?qū)η鍧嵥找嬖鲩L需求的經(jīng)濟(jì)有效的方法。近年來,傳統(tǒng)的凈化水技術(shù),例如反滲透技術(shù),膜處理,離子交換以及一些多效蒸餾系統(tǒng),盡管已經(jīng)取得了很大的進(jìn)展。但與這些高成本、缺乏可持續(xù)性的技術(shù)相比,太陽能驅(qū)動(dòng)的水蒸發(fā)技術(shù)因其充分的利用可再生的太陽能資源,對環(huán)境危害小,高效等優(yōu)勢引起了科研工作者們極大的關(guān)注。

影響太陽能蒸發(fā)器高效水蒸發(fā)的主要因素包括寬頻的光吸收、光熱轉(zhuǎn)換的局部化、水分的傳導(dǎo)及水分的蒸發(fā)。過去的大量研究,尤其是人工合成的碳基材料、等離子體材料以及親水性的泡沫材料,仍然存在著成本高,制備過程復(fù)雜,鹽堆積引起的蒸發(fā)效率不穩(wěn)定、耐久性差等缺點(diǎn)。大自然提供了豐富且廉價(jià)的原材料,可以轉(zhuǎn)化為可持續(xù)的高性能多功能材料。

近日,美國東北大學(xué)祝紅麗教授團(tuán)隊(duì)報(bào)道了一種可持續(xù)、高效、易制備的雙層絲瓜絡(luò)太陽能蒸發(fā)器。作者首先用熱臺(tái)對絲瓜絡(luò)進(jìn)行快速碳化處理,頂部碳化層作為具有寬頻的光吸收和高光捕獲的高效太陽能吸收器。在底層,由于絲瓜絡(luò)纖維的天然親水性和分級的大孔、微通道結(jié)構(gòu),從不同方向往局部加熱的碳化層補(bǔ)充足夠的水。在海水淡化過程中,大孔和微通道的鹽濃度梯度可以通過管壁上的微孔實(shí)現(xiàn)鹽交換,防止鹽在蒸發(fā)器表面積聚,從而確保了長期穩(wěn)定性,如圖1~圖2所示。

美國東北大學(xué)祝紅麗教授團(tuán)隊(duì)《JMCA》:耐用、抗污的多孔絲瓜絡(luò)用于高效太陽能淡化海水
圖1. (A)絲瓜植物圖片。(B)可以通過表面碳化的絲瓜絡(luò)大規(guī)模制備太陽能蒸發(fā)器件。碳化層用于光吸收,絲瓜絡(luò)纖維微通道不斷吸收和傳輸海水。(C)蒸發(fā)器的多層結(jié)構(gòu)的光吸收機(jī)理的示意圖;(D)蒸發(fā)器的大孔結(jié)構(gòu)及表面光熱轉(zhuǎn)化示意圖;(E)蒸發(fā)器的微通道以及內(nèi)部光反射機(jī)理示意圖,蒸發(fā)器傳質(zhì)機(jī)理(F)蒸發(fā)器具有用于水分傳輸?shù)南嗷ミB接的內(nèi)部微通道,實(shí)現(xiàn)光熱轉(zhuǎn)換和熱局部化的廣譜光吸收的碳化表面以及多級結(jié)構(gòu)之間的界面鹽交換等特征。(G)界面鹽交換放大示意圖。在微通道和大孔之間的鹽濃度梯度使得鹽交換來防止鹽積聚。
美國東北大學(xué)祝紅麗教授團(tuán)隊(duì)《JMCA》:耐用、抗污的多孔絲瓜絡(luò)用于高效太陽能淡化海水
圖2. (A)絲瓜絡(luò)幾何特征的照片。(B)蒸發(fā)器的三維多孔結(jié)構(gòu)和內(nèi)部通道的SEM圖像。(C)蒸發(fā)器橫截面的SEM 圖像,顯示纖維內(nèi)部的多個(gè)微通道結(jié)構(gòu)。(D,E)不同放大倍數(shù)下的微通道結(jié)構(gòu)橫截面的SEM圖像。(F,G)不同放大倍數(shù)下的纖維內(nèi)部交錯(cuò)微通道的SEM圖像。

絲瓜絡(luò)作為一種豐富的可再生資源,有著良好的柔韌性和耐久性,其固有的三維多孔結(jié)構(gòu)、可提供毛細(xì)作用力的內(nèi)部微通道、親水性的富含纖維素的纖維確保了其優(yōu)異的吸水性能,同時(shí),還具有極低的熱導(dǎo)率(57.5 mW m-1 K-1),是一種理想的太陽能界面蒸發(fā)材料。絲瓜絡(luò)上層經(jīng)碳化處理后,對200 nm – 2500 nm的寬頻光譜吸收率達(dá)到了95.4 %,遠(yuǎn)高于未經(jīng)處理的絲瓜絡(luò)的光吸收能力(48.4 %)。同時(shí)作者也對其高光吸收機(jī)理進(jìn)行了闡述:(1)絲瓜絡(luò)的多層結(jié)構(gòu)導(dǎo)致內(nèi)部光散射并被限制在層之間的有限空間中;(2)入射光在粗糙的纖維表面及纖維之間形成的微尺度的大孔內(nèi)經(jīng)歷多次反射;(3)入射光在纖維內(nèi)部的微通道內(nèi)經(jīng)歷多重反射從而將光最大程度的限制在微通道內(nèi)。由于絲瓜絡(luò)太陽能蒸發(fā)器優(yōu)異的吸水性、吸光性和隔熱性,其在一個(gè)模擬太陽光照射下表現(xiàn)出高蒸發(fā)速率1.42 kg m-2 h-1 和優(yōu)異的蒸發(fā)效率89.9%, 如圖3~圖5所示。

美國東北大學(xué)祝紅麗教授團(tuán)隊(duì)《JMCA》:耐用、抗污的多孔絲瓜絡(luò)用于高效太陽能淡化海水
圖3. (A)絲瓜絡(luò)結(jié)實(shí)、柔韌性能的圖片。(B)絲瓜絡(luò)和木材的吸水性對比。(C)碳化絲瓜絡(luò)(紅色)的吸收光譜和AM 1.5標(biāo)準(zhǔn)太陽輻射光譜(藍(lán)色)。(D)天然絲瓜絡(luò)和碳化絲瓜絡(luò)的FT-IR光譜。
美國東北大學(xué)祝紅麗教授團(tuán)隊(duì)《JMCA》:耐用、抗污的多孔絲瓜絡(luò)用于高效太陽能淡化海水

圖4. (A)在3個(gè)模擬太陽光照射下蒸發(fā)器產(chǎn)生的可見蒸汽的照片。(B)太陽能蒸發(fā)實(shí)驗(yàn)裝置的示意圖。(C)在1個(gè)模擬太陽光照下,使用純水,天然絲瓜絡(luò),碳化木頭和表面碳化絲瓜絡(luò)的純水質(zhì)量變化。(D)在1、2、3和5個(gè)模擬太陽光照下,使用表面碳化的絲瓜絡(luò)蒸發(fā)器的純水質(zhì)量變化。(E)在1、2、3和5個(gè)模擬太陽光照下,絲瓜絡(luò)蒸發(fā)器的蒸發(fā)效率和速率。(F)在1、2、3和5個(gè)模擬太陽光照射下,蒸發(fā)器水蒸發(fā)的循環(huán)性能,每個(gè)循環(huán)持續(xù)超過1小時(shí);蒸發(fā)速率和光學(xué)濃度之間的相關(guān)性是線性的。(G)與在1個(gè)模擬太陽光照射下,基于絲瓜絡(luò)的蒸發(fā)器蒸發(fā)速率與相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道的對比圖。
美國東北大學(xué)祝紅麗教授團(tuán)隊(duì)《JMCA》:耐用、抗污的多孔絲瓜絡(luò)用于高效太陽能淡化海水
圖5. 紅外相機(jī)拍攝的水,含碳化的絲瓜絡(luò)蒸發(fā)器的水以及碳化的絲瓜絡(luò)的溫度分布的圖像。(A)0、5、10、20、30和60分鐘后,在3個(gè)模擬太陽光照下,水中蒸發(fā)器的表面溫度變化。(B)0、30和60分鐘后,在3個(gè)模擬太陽光照下的純水溫度。(C)0、30和60 s后,在3個(gè)模擬太陽光照下,干燥的碳化絲瓜絡(luò)的表面溫度。

接著,作者對該蒸發(fā)器進(jìn)行了實(shí)際淡化海水的模擬,與碳?xì)终舭l(fā)器表面嚴(yán)重的鹽聚集相比,在長達(dá)二十天的循環(huán)實(shí)驗(yàn)中,絲瓜絡(luò)太陽能蒸發(fā)器的結(jié)構(gòu)和蒸發(fā)性能保持穩(wěn)定,顯示出優(yōu)異的自清潔性能和可重復(fù)使用性。這是由于(1) 纖維之間的大孔結(jié)構(gòu)與纖維內(nèi)部微管道,由于鹽濃度梯度,可以通過管道壁上的微孔進(jìn)行鹽交換。(2)絲瓜絡(luò)纖維本身具有很好的親水性,可迅速吸收水分以補(bǔ)充加熱面上的汽化鹽水,進(jìn)一步避免鹽堆積。

美國東北大學(xué)祝紅麗教授團(tuán)隊(duì)《JMCA》:耐用、抗污的多孔絲瓜絡(luò)用于高效太陽能淡化海水
圖6. (A)照片顯示了在20%NaCl溶液中,在1 Sun的太陽輻射10個(gè)小時(shí)后,常規(guī)碳?xì)终舭l(fā)器表面的出現(xiàn)鹽積聚,而碳化絲瓜絡(luò)的表面沒有出現(xiàn)鹽積聚。(B)在1個(gè)模擬太陽光輻射下的碳?xì)趾捅砻嫣蓟慕z瓜絡(luò)蒸發(fā)器的蒸發(fā)速率隨時(shí)間變化圖像。(C)在不同的鹽濃度下,使用碳化絲瓜絡(luò)蒸發(fā)器的水質(zhì)量隨時(shí)間變化圖像。(D)蒸發(fā)速率與循環(huán)次數(shù)的關(guān)系圖。插圖是碳化絲瓜絡(luò)蒸發(fā)器在20次循環(huán)使用前后的照片,可以看出其形狀的穩(wěn)定性。(E)循環(huán)回用后的絲瓜絡(luò),天然絲瓜絡(luò)(LS),碳化絲瓜絡(luò)(CLS)以及循環(huán)回用后的碳化絲瓜絡(luò)海綿的頂層XRD圖像。(F)循環(huán)回用后下層絲瓜絡(luò)和上層碳化絲瓜絡(luò)的FT-IR光譜圖像。從循環(huán)回用回收的CLS的XRD和FTIR結(jié)果可以看出,絲瓜絡(luò)在模擬太陽光進(jìn)行長期的海水淡化實(shí)驗(yàn)是穩(wěn)定的。

【總結(jié)】

在這項(xiàng)工作中,源于自然界的親水性絲瓜絡(luò),通過表面碳化處理,獲得了無界面阻力的完整雙層結(jié)構(gòu),具有極高的太陽光譜吸收率,同時(shí),絲瓜絡(luò)固有的由排列良好的微通道(10-20μm)組成的微纖維(~100μm)的獨(dú)特層級結(jié)構(gòu),可以作為光吸收體和水泵用于太陽能海水淡化。因此這種低成本、豐富、可持續(xù)且性能穩(wěn)定的天然絲瓜絡(luò)高效太陽能蒸發(fā)器具有大規(guī)模應(yīng)用的廣闊前景。

上述工作近期以“‘Antifouling’ Porous Loofahs Sponge with Internal Microchannels as Solar Absorbers and Water Pumpers for Thermal Desalination”為題發(fā)表在英國皇家化學(xué)學(xué)會(huì)旗下材料學(xué)國際知名期刊 Journal of Materials Chemistry A, 該論文第一作者為美國東北大學(xué)與華南理工大學(xué)聯(lián)合培養(yǎng)博士生劉超, 美國東北大學(xué)祝紅麗教授為該論文的通訊作者。

論文鏈接:

https://doi.org/10.1039/D0TA03872E

課題組鏈接:

http://www.coe.neu.edu/research/hongli_group/

相關(guān)新聞

微信
微信
電話 QQ
返回頂部