利用太陽光碟機動水蒸發獲取清潔飲用水, 有望作為一種應急手段, 用在海難或野外求生等情況下. 相對於自然蒸發過程和傳統膜分離技術, 將具有良好光熱轉化能力的光熱膜應用到太陽光碟機動水蒸發體系中, 可以有效提高蒸發效率. 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複合策略, 對2D光熱膜表面微結構進行調控, 顯著提高了水蒸發效率 (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和傳熱性能, 獲得了更高的光熱水蒸發效率 (J. Mater. Chem. A, 2018,6, 9874-9881) .
受收集聲波耳廓結構的啟發, 並借鑒太陽灶結構, 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, 其光熱轉化效率超過93%, 超過了常見2D平面膜水蒸發速率的極限值. 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出較好的穩定性, 同時其蒸發效率是自然蒸發的3.5倍. 在蒸發過程中鹽會在錐形捲筒上層析出, 不會覆蓋整個光熱膜, 這不僅有助於鹽的富集回收, 同時可以保持光熱性能的穩定. 詳細研究表明3D空心錐形光熱膜超高光熱蒸發性能主要是通過三個方面實現: (1) 特定的幾何外形可以將光線限域在錐形捲筒內部, 通過光的多步反射, 實現光熱捲筒對太陽光的高效吸收, 平均吸光率超過99%; (2) 3D空心錐形捲筒不需要藉助額外的隔熱材料降低向水體中的熱流失, 也不需要藉助其他材料進行水的傳導, 而是通過改變捲筒在水中的高度, 調控與水的接觸面積, 減少熱量流失, 實現理想的蒸發界面限域加熱; (3) 3D光熱錐形捲筒結構的設計使實際蒸發麵積不同於太陽光的輻照面積, 顯著增大了實際蒸發麵積. 該工作為3D光熱膜的開發設計提供了實驗基礎, 有望推動太陽光碟機動海水淡化技術的快速發展.
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援. 相關研究結果作為封面文章發表於Journal of Materials Chemistry A (2018, 6, 9874-9881).
圖1. 聚吡咯基3D空心錐形光熱膜的製備示意圖
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)
圖3. 研究成果被選為封面文章重點報道
