Solar RRL:能量契合度——太阳能蒸汽蒸发效率的加速器

水是生命之源,清洁水匮乏会严重威胁到人们的生命安全,特别是在偏远的不发达地区。利用太阳能直接产生蒸汽并凝结成清洁水(DSSG)作为一种简单的产水方式,近年来受到了研究者的广泛关注。与多段闪蒸和反渗透等传统方法相比,DSSG提供了一种高效、可持续、低成本的净水方法。但在蒸发过程中,能量的不合理利用严重制约了蒸汽产生效率,当输入的能量大于蒸发所需的能量时,光热转换材料从太阳光转化的热能有一部分在蒸发过程中被浪费,降低了拥有高光热转换率材料的蒸汽性能。当输入能量小于所需能量时,能量不足以驱动待蒸发水快速蒸发,蒸发过程面临着动力不足的窘境。因此,如果输入能量和蒸发所需能量能够达到很高的契合度,系统的蒸发性能会被大幅度促进,高潜能光热材料也能被充分利用。气凝胶具有比表面积大、重量轻、弹性好、保温性能好等优良特性,然而,当气凝胶被应用于太阳能蒸汽领域时,其强大的亲水性会导致蒸发表面有多余的自由水,增加蒸发所需的能量,制约蒸汽的快速生成。

桂林电子科技大学材料学院苗蕾课题组针对这一问题,利用天然木片延长了水分子的运输路程,降低了强亲水性气凝胶的运水速度,减小了蒸发所需的能量,与输入能量进行匹配,从而提高了系统的蒸发性能。相关结果发表在Solar RRL(DOI: 10.1002/solr.202000341)上。第一作者为硕士研究生穆晓江,周建华和苗蕾老师为共同通讯作者。

碳纳米管气凝胶——木片双层结构,不仅拥有低的热导率,减少系统热量的损失,而且可以通过改变木片的厚度调控水分的运输速度,使得蒸发表面的待蒸发水量减小。此外,三维网络状气凝胶内部的水分子由于自由水、结合水和中间水状态的存在,拥有较低的蒸发焓。由于低水量和低焓值的影响,系统蒸发所需能量被减少,与输入能量的匹配度提高。在此机制的作用下,当一个太阳光(1 kW m-2)照射时,蒸发速率大约提高了40%,达到2.22 kg m-2 h-1,对应的太阳能-蒸汽能转换效率高达93.2%。在实际应用方面,双层结构也展现出了高于99%的离子去除率,对生活污水、豆腐卤水都有很好的净化作用,在脱盐应用中,获得了1.88 kg m-2 h-1的蒸发速率,并且拥有良好的持久性和稳定性,在蒸发速率基本稳定的前提下能够持续工作约240小时。研究者认为该项工作可以推进太阳能光热蒸发器在海水淡化、水质净化等领域运用上的进程,为高效水蒸发的科学研究提供了新的思路。