Advanced Sustainable Systems:拱形竹炭作为高效界面式太阳能蒸腾装置

太阳能驱动海水淡化是一个比较传统的研究课题,然而由于其能量利用率较差,难以在一些偏远贫困地区广泛应用。近些年来,界面式太阳能海水淡化凭借着一种新型光热转化机制, 通过材料设计及光学、热学有效调控, 将太阳能充分吸收并将能量局域化应用到气-液界面, 从而使得光-蒸汽能量转化效率有效提高, 被认为是一种极具前景的太阳能利用途径,为海水淡化提供了新思路。

竹炭,作为一种生物质碳材料,其制备过程简单,生长周期短,可以大规模的量产,主要应用是净化空气、消除异味、吸湿防霉、抑菌驱虫。但其优异的机械性能,光热转换性能等往往被忽略。陕西科技大学材料学院王成兵教授团队对此进行了细致的探索,竹炭作为一种优异的光热转换材料成功的应用于太阳能淡化海水领域。

图1 竹炭的形态和微观结构。(a) 光学照片(下面)和SEM图像(上面)展示x(竹子生长)、y、z方向。 (b) 竹炭顶部(x-z方向)表面SEM图像。(c) 沿生长方向(y-z方向)SEM图像,插图显示了微孔内部结构形貌。 (d) 不同太阳辐射条件下竹炭表面最高温度的变化规律。(e) 不同太阳辐射下竹炭表面温度的变化规律。

竹炭沿着生长方向切开,将其如拱桥般置于水面上。如图1所示,竹炭内部具有丰富的孔洞结构,在生长方向和垂直生长方向都有多尺度的孔洞,这些孔道通过毛细作用力可以形成有效的水的供应通道。竹炭的太阳光吸收能力可以达到90%以上。同时,研究人员提出了拱形结构这种对于热量管理具有促进作用的结构。主要有以下优势(1)相对于二维平面吸收器,拱形结构吸收器具有较大的太阳光吸光面积。(2)拱形结构的拱顶点温度最高,周围温度较低,且与水面之间形成一个空气间隔层,极大的抑制了热量的损失。此外,竹炭表面孔洞较大,生成的积盐也可以在无光照条件下回溶到水中,且强酸、强碱、强光照等极限环境对于竹炭光热性能影响较小。凭借着上述特点,使得竹炭成为一种性能优异的太阳能驱动海水淡化的材料。

此外,竹炭作为一个强吸附性材料,在太阳光的照射下,其表面产生较高的温度,对其物理吸附性能也起到了协同增强作用。研究人员将竹炭至于氯化铜溶液中,分别比较其在无太阳光环境和高倍太阳光环境下竹炭对水体的净化能力,发现光照对于竹炭的吸附作用起到了明显的促进作用。因此,市场化商品竹炭有望在产生淡水的同时高效净化水体,改善生态环境。

界面式太阳能蒸腾系统是一种新型能源利用方式,具有较大的潜力。而生物质材料是一类低价,高效的光热转换材料。依此,团队对当前界面式太阳能淡化海水材料最新进展进行了总结(如图2)。

图2综述报告的主要框架(生物相关性的材料分类,蒸发效率提升的结构分析和协同促进的应用关联)。

该工作以生物相关性作为材料分类标准。将用于海水淡化的光热材料分为四类:合成材料,仿生材料,杂化材料,生物质材料;以独特视角审视了各类型材料的发展现状,分析了其优点和缺点。从基本的双层结构出发,讨论了如何通过材料的结构设计以提高蒸发效率。界面式太阳能蒸腾是一种先进的能源利用方式,其发展不仅仅局限于淡水领域,还可以与电能产生,光催化,酒精蒸馏,调节气候,地下水抽滤等领域结合,以及对其独特能量利用理念的扩展,文中对此也进行了详细讨论和分析。最后,作者对界面式光热转换材料存在的挑战进行了总结

这一工作发表在Solar RRL (DOI: 10.1002/solr.201800206),陕西科技大学王成兵教授和安盟副教授为共同通讯作者,第一作者为硕士生李政通。相关工作发表在期刊Advanced Sustainable Systems (DOI:10.1002/adsu.201800144),论文第一作者为硕士生李政通。

 

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