SmartMat |研究论文:珊瑚启发蒸汽蒸发器通过多孔和隔热仿生设计高效太阳能海水淡化

学术   科技   2024-10-14 10:08   天津  
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文章信息

He Zhang,  Xiaoke Li,  Size Zheng,  Jin Wen,  Jiaying Zhou,  Rui Yang,  Wenmei Luo,  Liu Yang,  Xiaohu Wu. The coral-inspired steam evaporator for efficient solar desalination via porous and thermal insulation bionic designSmartMat. 2023; 4:e1175.

https://doi.org/10.1002/smm2.1175

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文章简介




太阳能驱动界面蒸发(SIE)技术在海水淡化和污水处理方面具有广阔的应用前景,但目前还无法以低成本获得高效、优质的清洁无毒水。本文研制了一种新型的可生物降解水凝胶太阳能蒸发器(BBH-L),该蒸发器具有仿生珊瑚结构,以墨水为太阳能吸收剂。该蒸发器由壳聚糖/聚乙烯醇水凝胶和丝瓜底物组成。在一个太阳光照(1 kW/m2)下,BBH-L的平均蒸发速率和效率分别达到4.37 kg/(m2·h)和98.2%,这归功于其优异的热局部化和水分输送能力。同时,高耐盐性使BBH-L能够实现其他非常规水的高效脱盐和净化。通过螯合作用和在水凝胶中形成氢键,可以有效地去除海水中的重金属离子。这项研究有望为提高蒸发性能和降低水处理系统的成本提供新的可能性。














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图文导读





示例图 1. BBH-L的结构和太阳能蒸汽发生机理示意图。





图 1. BBH的化学和结构表征。(A)制备的BBH照片;(B)不同放大倍数下的SEM图像显示;(C) BBH、PVA、CS和CI的傅里叶变换红外光谱,表明BBH合成的可能性;(D) BBHs的存储模量(G′)和损耗模量(G″)。






图 2. 水凝胶的太阳能驱动蒸汽生成性能。(A, B) 1个光照温度稳定后的水质量损失量;(C)不同水凝胶在1个光照下的太阳蒸发速率和产汽能效率;(D) BBH‐L与其他水凝胶蒸发器的水分蒸发速率。






图 3. BBH内限水状态。(A) BBH 2的动态接触角;(B)对应干凝胶BBHs图中饱和水含量;(C)水凝胶中水分调节机理示意图;(D, E) BBHs能区拉曼光谱拟合曲线:水的O-H拉伸模式。





图 4. (A) BBH分子模拟的初始状态。(B)-(D)水凝胶中水分子的蒸发过程。(E)蒸发的水分子数。





图 5. BBHs的光热管理行为。(A) BBH的UV-Vis-NIR光谱;(B)红外热成像记录的BBH-L体水温和表面温度;(C)水凝胶样品表面平均温度随辐照时间的变化。






图 6. BBH-L的海水和微咸水脱盐性能。(A)三种人工海水样品中BBH-L的蒸发速率和总溶解固形物(TDS);(B)海水淡化前后主要离子的浓度;(C) BBH-L在海水中浸泡30天淡化过程中水分蒸发速率;(D) BBH-L的抗盐结晶性能。






图 7. 海水淡化前后微咸水中主要离子的浓度。






图 8. 三个pH值的生活污水中BBH-L的蒸发速率及淡化后的pH值。






图 9. BBH-L室外太阳能脱盐:(A)室外实际海水淡化实验条件(湿度、太阳角度、风速),(B)室外实验蒸发速率和对应时间的太阳辐射通量。



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作者简介



吴小虎山东高等技术研究院教授,山东省优青2014年本科毕业于中国矿业大学(北京);2024年4月,被授予第28届“中国青年五四奖章”。2019年博士毕业于北京大学(佐治亚理工学院联合培养),获北京市优秀毕业生、北京大学优秀毕业生。主要从事辐射换热、太阳能光热利用、微纳光子学等领域的研究。





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