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郑大刘文涛教授团队 Desalination:阿拉伯圆顶式分层设计实现稳定高效的太阳能海水淡化

郑大刘文涛教授团队 Desalination:阿拉伯圆顶式分层设计实现稳定高效的太阳能海水淡化 高分子科技
2023-06-13
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导读:通过在天然玉米秸秆的空腔中发泡秸秆基光热聚氨酯海绵得到太阳能蒸发器…
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随着人类社会的快速发展,淡水资源的匮乏已成为人类社会有待解决的巨大难题。目前,数十亿人饱受淡水短缺的影响。因此,提供充足的淡水是一项具有挑战性的工作。界面光蒸汽转换技术(ISSG)可以有效地从海水、湖水和工业废水中获取淡水,已成为解决淡水短缺最有前途的策略之一。为提高太阳能蒸发器的光-蒸汽转换性能,研究者通常选用各式各样的亲水基体来保证快速的水供应。然而,过快的供水会使得蒸发器内部存在大量未蒸发的水,这不仅浪费了由光热转换产生的能量,而且加剧了热传导损失,削弱了热局域化效应。这些阻碍了蒸发器水蒸发率的进一步提高。


近日,郑州大学刘文涛教授带领的智能高分子材料团队(SPM)与郑州大学胡俊华教授、湖北大学Muhammad Sultan Irshad博士合作,受阿拉伯圆顶建筑风格的启发,通过在天然玉米秸秆(NCS)的空腔中发泡秸秆基光热聚氨酯海绵(SPPU)得到太阳能蒸发器。这种分层设计在ISSG期间将水截留在SPPUNCS之间的界面处,从而平衡水的供应和蒸发,强化了热局域化效应。此外,阿拉伯圆顶式结构的SSPU确保了在不同光入射角下的出色光热转换。制备的蒸发器在1个太阳光照下显示出出色的蒸发率(2.18 kg/m2/h),并且在一天的自然阳光下的淡水产量可达3.58 kg/m2
 
1秸秆衍生的3D太阳能蒸发器的制备示意图。
 
2aeSPPU-0、(bfSPPU-1、(cgSPPU-2和(dhSPPU-3SEM图像。样品的(i) 孔隙率,(j)密度,(k)光照下的表面温度,以及(l)红外热成像图。

3 不同的(aHPC含量和(b)高度比例(空腔与吸管的高度比)对SPPU@NCS蒸发速率的影响。基于响应面分析拟合的(c)三维曲面和(d)映射的模型。

4 在(a)黑暗和(b)光照下,漂浮在水面上的太阳能吸收器的质量随时间的变化。(c) 稳定ISSG期间太阳能吸收器中的水分分布示意图。(dSPPU和(eSPPU@NCS表面温度分布的COMSOL模拟图。(fSPPUSPPU@NCS的水蒸发性能。

5 在不同角度光照下,(a-c)圆柱形蒸发器和(d-f)阿拉伯式蒸发器表面温度分布的COMSOL模拟图,以及蒸发器的(g)表面温度和(h)蒸发率图。

6 a)海水和SPPU@NCS的水蒸发情况.bSPPU@NCS在长周期太阳海水淡化中蒸发速率的变化图.cSPPU@NCS与报道的生物基蒸发器的性能对比图。(dSPPU@NCS脱盐前后主要金属离子的浓度变化图。(e)用海水和净化后的水培育的西兰花的正面和俯视图,以及(f)西兰花茎长和(g)叶片湿重对比图。

研究者依托生物质碳化和自由发泡技术,设计了一种具有阿拉伯建筑风格的太阳能蒸发器。凭借分级水管理策略,在太阳能海水淡化过程中建立了供水和蒸发之间的平衡关系,有效防止热量损失到过量的未蒸发水,赋予了蒸发器稳定且高效的蒸发性能。这项工作为设计具有可调水传输的3D太阳能净水装置提供了潜在途径。


论文信息

Arabic-dome-inspired hierarchical design for stable and high-efficiency solar-driven seawater desalination

Changyuan Song , Muhammad Sultan Irshad, Yin Jin , Junhua Hu *, Wentao Liu *

Desalination 544 (2022) 116125

https://doi.org/10.1016/j.desal.2022.116125


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