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青島能源所開發(fā)新型三維太陽光驅(qū)動海水淡化膜材料

文章來源：未知更新時間：2018-06-15 11:28:05

利用太陽光驅(qū)動水蒸發(fā)獲取清潔飲用水，有望作為一種應急手段，用在海難或野外求生等情況下。相對于自然蒸發(fā)過程和傳統(tǒng)膜分離技術，將具有良好光熱轉(zhuǎn)化能力的光熱膜應用到太陽光驅(qū)動水蒸發(fā)體系中，可以有效提高蒸發(fā)效率。中國科學院青島生物能源與過程研究所研究員江河清帶領的膜分離與催化研究組前期利用不同納米碳材料的復合策略，對2D光熱膜表面微結構進行調(diào)控，顯著提高了水蒸發(fā)效率（J. Mater. Chem. A, 2018, 6, 963-971）。在此基礎上，該團隊近期進一步進行了空心錐形光熱膜的研究，利用其獨特的三維結構，通過改善光熱膜體系的傳質(zhì)和傳熱性能，獲得了更高的光熱水蒸發(fā)效率（J. Mater. Chem. A, 2018,6, 9874-9881）。

　　受收集聲波耳廓結構的啟發(fā)，并借鑒太陽灶結構，膜分離與催化研究組王玉超和江河清設計了具有宏觀尺寸的3D空心錐形光熱膜，其光熱轉(zhuǎn)化效率超過93%，超過了常見2D平面膜水蒸發(fā)速率的極限值。對膠州灣實際海水的測試表明，3D空心錐形光熱膜不僅表現(xiàn)出較好的穩(wěn)定性，同時其蒸發(fā)效率是自然蒸發(fā)的3.5倍。在蒸發(fā)過程中鹽會在錐形卷筒上層析出，不會覆蓋整個光熱膜，這不僅有助于鹽的富集回收，同時可以保持光熱性能的穩(wěn)定。詳細研究表明3D空心錐形光熱膜超高光熱蒸發(fā)性能主要是通過三個方面實現(xiàn)：（1）特定的幾何外形可以將光線限域在錐形卷筒內(nèi)部，通過光的多步反射，實現(xiàn)光熱卷筒對太陽光的高效吸收，平均吸光率超過99%；（2）3D空心錐形卷筒不需要借助額外的隔熱材料降低向水體中的熱流失，也不需要借助其他材料進行水的傳導，而是通過改變卷筒在水中的高度，調(diào)控與水的接觸面積，減少熱量流失，實現(xiàn)理想的蒸發(fā)界面限域加熱；（3）3D光熱錐形卷筒結構的設計使實際蒸發(fā)面積不同于太陽光的輻照面積，顯著增大了實際蒸發(fā)面積。該工作為3D光熱膜的開發(fā)設計提供了實驗基礎，有望推動太陽光驅(qū)動海水淡化技術的快速發(fā)展。

　　上述研究工作獲得了國家自然科學基金、山東省自然科學基金及青島市民生科技計劃項目的支持。相關研究結果作為封面文章發(fā)表于Journal of Materials Chemistry A (2018, 6, 9874-9881)。

圖1. 聚吡咯基3D空心錐形光熱膜的制備示意圖

圖2. 3D空心錐形膜與2D平面膜樣品的漫反射性能對比（a）及吸光率對比（b），多步反射過程示意圖（c）

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