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《Nano Energy》:大尺寸、坚固的双层聚合物泡沫用于高效、稳定的太阳能海水淡化

随着人口增长和水污染的日益严重,人类面临着严重的水资源匮乏问题。如何解决水资源短缺成为人类面临的最大难题之一。地球上丰富的太阳能资源使得太阳能蒸发水成为最有发展前景的海水淡化的技术之一。与其他技术相比,太阳能蒸发水没有消耗除太阳能外的其他能源,具有环境友好,成本低等优势,是一种清洁、便携的水处理技术,成为人们追逐的热点。近年来,研究人员制备了多种太阳能蒸发材料,但是蒸发装置仍然存在制造过程复杂,蒸发效率较低,耐久性较差和不可重复使用等缺点。

最近,青岛大学刘敬权教授、青年教师李晨蔚与中科院化学所刘琛阳研究员等人基于低成本商用泡沫(MF),制造了大尺寸、坚固耐用的双层聚合物泡沫,用于太阳能海水淡化。利用双层结构,不同的功能被巧妙的分配到不同的层结构中。顶部的聚吡咯层负责光热转换和蒸发水,底部的泡沫层负责输送水和减少热量耗散。在一个模拟太阳光照下,双层泡沫表现出高蒸发速率(1.574 kgm-2h-1)和优异的蒸发效率(90.4%)。一系列连续的严苛测试中(超声、高温、强酸、强碱和反复挤压),双层泡沫表现出优异的结构稳定性。在长达30天的蒸发海水测试中,双层泡沫可以保持结构完好和稳定的蒸发性能,显示出优异的防污性能和可重复使用性。该团队还展示了两种简单的蒸发设备原型,分别用于陆地和水上。低成本、大尺寸、耐用的太阳能海水淡化装置在自然阳光条件下高效、稳定地产生淡水,这有望缓解水资源匮乏地区的淡水供应问题。

图文速递

《Nano Energy》:大尺寸、坚固的双层聚合物泡沫用于高效、稳定的太阳能海水淡化(图1)

Figure1.(a)双层聚合物泡沫制备过程示意图和(b)双层聚合物泡沫的太阳能蒸汽产生机理。

《Nano Energy》:大尺寸、坚固的双层聚合物泡沫用于高效、稳定的太阳能海水淡化(图2)

Figure2.(a-c)逐步制备双层聚合物泡沫的图片。(a)原始MF,(b)预压MF-2和(c)双层聚合物泡沫的照片;(d)原始MF和(e)预压MF-2的SEM图像;(f-h)双层泡沫的结构。(f)下层MF层,(g)上层聚吡咯层和(h)交界处横截面的SEM图片;(i)原始MF和预压MF-(2,3,4)在80%形变率下的压缩应力-应变曲线;(j)预压MF-(2,3,4)与其他多孔材料(碳基、聚合物基、无机基和金属基多孔材料)的压缩性能对比;(k)原始MF和预压MF-2吸附红色墨水后的照片。

《Nano Energy》:大尺寸、坚固的双层聚合物泡沫用于高效、稳定的太阳能海水淡化(图3)

Figure3.(a)聚吡咯粉末,聚吡咯层和MF层的TGA曲线;(b)双层泡沫的聚吡咯层的透射和反射光谱。插图:通过接触角测试,显示出聚吡咯层具有优异的亲水性;(c)双层聚合物泡沫在空气中20次压缩(黑色线)和回复(橙色线)循环的应力-应变曲线;(d)双层聚合物泡沫在水中20次压缩(黑色线)和回复(橙色线)循环的应力-应变曲线;(e)双层泡沫的聚吡咯层和MF层的导热率; (f)双层聚合物泡沫在一系列连续苛刻稳定性中保持结构完好:(g)超声(400 W,2 h),(h)高温(95°C,1 h),(i)循环压缩(10个循环),(j)酸性(pH~1,24 h)和(k)碱性(pH~14,24h)环境。

《Nano Energy》:大尺寸、坚固的双层聚合物泡沫用于高效、稳定的太阳能海水淡化(图4)

Figure 4.(a)太阳能蒸发水测试的实验装置示意图;(b)将圆柱状的双层泡沫放置在具有相似尺寸和厚壁的容器中以减少周围环境对测试的影响; (c)双层泡沫蒸发水过程的示意图;(d)在一个模拟太阳光照下,双层泡沫、单层聚吡咯泡沫和没有任何太阳能吸收器的情况下,水的质量随时间的变化;(e)在一个模拟太阳光照下,双层聚合物泡沫蒸发水过程中的温度变化;(f)不同光照强度下,双层泡沫蒸发水的质量随时间的变化曲线;(g)双层聚合物泡沫与其他文献的太阳能蒸发效率对比图;(h)海水样品(黄海)经过太阳能海水淡化前后四种主要离子的浓度变化图; (i)在一个模拟太阳光照下,双层泡沫在30个循环测试中的蒸发速率曲线;(j)经过30个循环测试后的双层泡沫的照片;(k)循环测试和脱盐处理后的双层泡沫的SEM图片。

《Nano Energy》:大尺寸、坚固的双层聚合物泡沫用于高效、稳定的太阳能海水淡化(图5)

Figure 5.(a)基于双层聚合物泡沫,用于陆地上的太阳能海水淡化系统原型;(b)在自然光照条件下,太阳能海水淡化装置的照片;(c)在自然光照条件下,蒸发水质量、环境温度和太阳光强度随时间的变化;(d)基于双层聚合物泡沫,用于水上的太阳能淡化系统的原型船;(e)原型船在水上航行的照片。

这种成本低、制备过程简单、坚固耐用的双层聚合物泡沫对于太阳能蒸发装置的工业化和应用部署具有重要意义。相关研究结果以Scalable and robust bilayer polymer foams forhighly efficient and stable solar desalination为题发表在Nano Energy上。该论文第一作者为青岛大学青年教师李晨蔚和研究生姜德刚,通讯作者为刘敬权教授李晨蔚。该工作获得中国自然科学基金、中国博士后面上项目和山东省自然科学基金的支持。


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