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武汉大学邓红兵课题组太阳能海水淡化纳米纤维研究获突破
武汉大学 / 时间:2020-08-06 22:09:43

搜狐资讯网8月4日讯:国际著名期刊Advanced Materials(《先进材料》 影响因子:27.398)近期发表我校资源与环境科学学院邓红兵教授课题组与东华大学丁彬教授课题组在耐盐太阳能海水淡化纳米纤维气凝胶领域的最新合作成果。

论文题为“Cellular Structured CNTs@SiO2 Nanofibrous Aerogels with Vertically Aligned Vessels for Salt‐Resistant Solar Desalination”(《具有垂直排列管道的蜂窝状CNTs @ SiO2纳米纤维气凝胶用于耐盐的太阳能海水淡化》)。

武汉大学2019级博士研究生董向阳和东华大学博士研究生曹雷涛为并列第一编辑,武汉大学为第一编辑单位,邓红兵与丁彬为共同通讯编辑。该课题得到国家自然科学基金、湖北省自然科学基金创新群体的资助和支撑。

水资源与水安全一直是国际资源环境领域的前沿和热点。目前国际上约有20亿人缺乏安全可靠的淡水供应设施。为了确保足够的淡水供应,太阳能海水淡化技术近年来受到广泛关注。但在海水淡化过程中,蒸发器表面的盐会随着蒸发而增加。由于大多数蒸发器对盐的耐受能力不佳,很难将盐分从蒸发界面移除,最终导致盐在蒸发界面结晶。盐晶体的出现会降低吸光度并阻塞水分运输通道,从而降低蒸发速率甚至损坏蒸发器。

针对上述问题,邓红兵和丁彬合作基于以下原则设计了一种耐盐的纳米纤维太阳能蒸发器:一是蒸发器应具有高效的光吸取能力,以将尽可能多的太阳能转化为热量;二是通过自组装过程调控,纳米纤维高度模拟生物质纤维的孔道结构和多孔管道壁,并在此基础上构建垂直排列的管道,以高效运输水分和盐;三是蒸发器必须具有足够的机械强度和化学稳定性,以确保长期有效的蒸发性能。

a是常规太阳能蒸发器中的水运输,光吸取,蒸发和盐结晶的示意图。b是纳米纤维(CNFAs)气凝胶中的盐运输,水运输,光吸取和蒸发的示意图。

a是常规太阳能蒸发器中的水运输,光吸取,蒸发和盐结晶的示意图。b是纳米纤维(CNFAs)气凝胶中的盐运输,水运输,光吸取和蒸发的示意图。a是常规太阳能蒸发器中的水运输,光吸取,蒸发和盐结晶的示意图。b是纳米纤维(CNFAs)气凝胶中的盐运输,水运输,光吸取和蒸发的示意图。

为了满足前两个要求,利用纤维冷冻成型方法,将纳米纤维组装成具有垂直排列的管道的气凝胶,以实现高效的盐、水运输;通过将碳纳米管(CNT)沉积在管道壁上,以通过管道中光的多次散射和吸取来实现高效的光吸取。为了满足机械强度和化学稳定性的要求,选择了柔性的静电纺SiO2纳米纤维作为蒸发器的结构元件。

a是CNFAs的制备和结构示意图。b至d为CNFAs在不同放大倍数下的微观多孔结构。e是具有高吸光度的CNFAs。f是CNFAs在水中的压缩和回弹。g是从CNFAs表面产生的蒸气。

a是CNFAs的制备和结构示意图。b至d为CNFAs在不同放大倍数下的微观多孔结构。e是具有高吸光度的CNFAs。f是CNFAs在水中的压缩和回弹。g是从CNFAs表面产生的蒸气。a是CNFAs的制备和结构示意图。b至d为CNFAs在不同放大倍数下的微观多孔结构。e是具有高吸光度的CNFAs。f是CNFAs在水中的压缩和回弹。g是从CNFAs表面产生的蒸气。

该蒸发器能够吸取98%的太阳光,在1个太阳的光照下(1 kW m-2)能够以1.50 kg m-2 h-1的速率产生蒸汽,即使在20%的盐水中接受6个太阳的持续照射(6 kW m-2)也不产生盐。此外,蒸发器还展现出了其优异的机械强度和化学稳定性,能经受反复的压缩、长时间的超声和酸碱处理,产生的淡水也完全满足WHO的饮用水标准,受重金属、有机染料、抗生素污染的废水和海水中的有害成分几乎完全被去除。

在以往的报道中,蒸发器通常具有疏水性顶层和亲水性底层。疏水层通过防止盐水到达材料表面来防止盐在材料表面上结晶。与上述防止盐分到达的方法不同,该研究采用将盐分运走的策略。CNFAs的关键结构特征是由SiO2纳米纤维框架构成的亲水性垂直排列的管道。垂直对齐的管道连接蒸发界面和底层水,从而确保了盐通过扩散和对流沿着最短路径从盐浓度高的蒸发界面传输到盐浓度低的底层水。与传统的太阳能蒸发器的缠绕路径相比,垂直排列的管道将极大地促进盐从蒸发表面向大量水的传输。


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