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一种兼具海水吸收储存、太阳能光热转化和海水蒸发功能的储水材料

2019.09.17 来自:Science Bulletin

随着人口的增长和工业的发展,人类社会对淡水的需求日益增加。然而,与之相反,由于环境污染的影响,淡水资源日益匮乏,甚至已经开始对人们的健康产生影响。海水淡化为解决淡水危机提供了一条有效和可靠的途径。


近年来飞速发展的基于表面光热水蒸发的太阳能光热海水淡化技术可以在只需太阳光照的前提下进行海水淡化,是一种经济、高效、环保的海水淡化方法。这种技术通常需要将光热材料置于海水表面或上方,通过毛细管作用将海水输送至光热材料上表面,在太阳光的照射下,光热材料表面迅速升温,使其表面的海水迅速蒸发。


这种表面光热水蒸发具有极高的能量转化效率,因此在海水淡化应用方面具有很大的前景。现有的太阳能光热海水淡化装置设计通常都包含海水池、光热材料及淡水收集池。在海水淡化过程中,需要在海水淡化装置中注入一定量的海水,使得整个淡化装置总重量增加,同时装置中的液态海水在移动的过程有可能溅出从而污染已收集的淡水,因此很难实现便携式海水淡化。


为了解决这个问题,南澳大利亚徐浩兰研究员团队开发设计了一种3D柱状轻质固体光热储水材料同时兼具海水吸收储存、太阳能光热转化和海水蒸发的功能(图1)。


图1:光热储水材料示意图及实物图


这种光热储水材料由吸水内核和基于氧化还原石墨稀及凝胶的光热外壳组成,光热外壳同时具有锁水功能,使得内核储存的海水即使受到轻度挤压也不会外溢。光热储水材料储存的海水足够支持1–2天的光热水蒸发,因此在海水淡化过程中无需额外加入海水(图2),使得整个海水淡化装置的设计更加简化,重量更轻,也没有纯净水再污染的风险,实现便携式海水淡化(图3)。


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图2:光热储水材料在模拟太阳光照下的水蒸发以及光热蒸发过程中其上表面和侧面的温度。

整个蒸发过程中无需补充海水。


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图3(a)简易海水淡化装置示意图,(b,c)海水淡化装置户外测试


光热蒸发一段时间以后(1–2天),只需将光热储水材料浸泡于海水3–5分钟,即可重新使用。另外,由于光热储水材料无需与外界海水接触,因此没有热传递能量损失,同时材料暴露的表面积,也就是吸光面积和蒸发面积最大化,从而大大提高蒸发速度。此外,光热储水材料的侧面,因为在蒸发过程中没有受到阳光照射,其表面温度低于环境温度(图2),因此可以从环境中吸收能量用于驱动蒸发,从而整个蒸发体系的能量转换效率极高。经测试,在一个太阳光强垂直照射下,光热储水材料的蒸发速率达到4kgm–2h–1(按投影面积计算),经过一天的蒸发,材料表面没有形成积盐。


该项目由南澳大学、南澳大学研究投资计划:发展基金(Project No.100601)、黑龙江省华升石墨股份有限供司(Project No.100085)提供支持。




相关线下活动:


第三届光热发电创新大会(2019.10.24-25,中国北京)

第十届光热发电中国聚焦大会(2020.3,中国北京)


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