如何製備清潔淡水是全球眾多科研人員一直在攻關的課題. 1月20日, 半島記者從中科院青島生物能源與過程研究所採訪獲悉, 該所江河清研究員帶領的膜分離與催化團隊提出利用不同維度納米材料的複合策略, 實現對光熱膜表面微結構的調控, 從而提高光捕獲效率, 獲得理想的光熱蒸發效率. 這一研究有望促進太陽光碟機動製備清潔淡水的應用, 實現高效, 綠色, 可持續的海水淡化以及應急條件下的淡水保障.
近年來, 受自然界水迴圈過程的啟發, 利用太陽光碟機動水蒸發獲得清潔淡水受到了人們的廣泛關注, 該技術有望作為一種應急手段應用在海難, 野外求生或欠發達地區個人生存等情況. 但在自然蒸發條件下, 太陽光的利用率較低, 實際蒸發較慢. 為此, 該領域的研究人員一直在嘗試將具有良好光吸收和光熱轉化能力的光熱膜材料應用到太陽光碟機動蒸發體系中, 以提高蒸發效率.
記者了解到, 大量的前期研究表明, 具有可控微結構的粗糙表面能夠有效降低對光的漫反射率, 實現太陽光全波段的有效吸收, 有利於實現高效的水蒸發. 然而, 表面微結構的構築方式較為複雜, 往往需要特殊設備或手段輔助完成, 增加了膜材料製備的難度及成本.
針對上述問題, 青島能源所江河清研究員帶領的膜分離與催化團隊提出利用不同維度納米材料的複合策略, 實現對光熱膜表面微結構的調控, 從而提高光捕獲效率, 獲得理想的光熱蒸發效率. 科研人員介紹, 他們通過將二維石墨烯與一維碳納米管二者複合, 實現了對單一組分有序結構的擾動, 從而增加光熱膜的表面粗糙度. 而通過這種表面微結構的優化, 能夠將太陽光光譜範圍內的漫反射降低到4.7%以下, 光照下的膜表面溫度高達77℃. 此外, 這種表面微結構呈現出無序的堆積, 能增大膜內孔隙率, 有利於水分子在膜內的傳輸及擴散. 相比於自然蒸發, 基於該種納米複合光熱膜的蒸發過程效率提高了190%, 太陽光利用率超過80%.
科研人員介紹, 這類光熱複合膜的製備過程簡便, 並且可以構築在不同的多孔基底上, 拓展了不同水體系下實際應用潛力. 不僅能夠在含有酸, 堿以及機汙染物的類比水樣中保持性能穩定, 同時能夠在不同含鹽量的海水中加快水蒸發, 展現出優異的淡水生產能力. 這一研究有望促進太陽光碟機動製備清潔淡水的應用, 實現高效, 綠色, 可持續的海水淡化以及應急條件下的淡水保障. 相關研究成果已在權威學術刊物發表.
