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玉米秸秆制造高效太阳能蒸发器用于海水淡化

随着社会经济的发展,对水的需求也越来越多,水资源匮乏已成为全球面临的挑战,将丰富的海水资源转化为淡水是许多缺水地区的发展方向,然而海水淡化因其能耗过高成为限制其发展的主要因素之一。随着技术的发展,使用太阳能等天然能源实现对海水蒸发淡化的方法是获取清洁淡水资源的一条崭新出路。

随着太阳能界面蒸发海水淡化技术的发展,通过提高各类光吸收器的光热吸收能力来提高蒸发效率,促进了太阳能海水淡化技术的发展。太阳能界面蒸发是一种新型太阳能海水淡化方式,通过将一种具有多孔结构的蒸发体漂浮于水面上,在水-空气界面处进行光热转换形成局部热区,同时蒸发体的内部多孔结构通过毛细作用向顶部热区连续供水,从而引起蒸发。该技术由于具有热损小、系统简单、成本低等优点而极具前景。

高效界面光热的太阳能蒸发器需要包括宽频光吸收、热转换、水传导和水蒸发四个关键因素。然而,普通的多孔介质在饱和液相状态下的热导率会大幅增加,增大了热量向下方水体的散失,使其蒸发性能受限。另外,当前报道的大部分蒸发体(例如:石墨烯泡沫、贵金属修饰的碳海绵、水凝胶等)还存在着制备工艺复杂、成本昂贵等问题。

近日,大连理工大学极端条件热物理与能源系统的李林副教授和唐大伟教授利用玉米秸秆开发了一种高效、低成本的蒸发体用于太阳能海水淡化。玉米秸秆不仅是一种低成本的农业废弃物,它还具有孔隙发达、密度低等特点。其内部具有复杂的多孔结构,可以在高效输水的同时保持良好的隔热。这些特点使该蒸发体在一个太阳强度下的蒸汽转化率达到了86%。

玉米秸秆蒸发体结构

玉米秸秆蒸发体的结构和工作原理示意图

玉米秸秆内部具有复杂的多孔结构,包括相互连通的管束、封闭的管胞、微孔、纳米孔等,而且管胞环绕管束形成了阵列结构。由此构建的蒸发体不仅可以通过管束、微孔进行输水,而且还可以通过管胞进行隔热,从而实现在高效输水的同时有效隔热。

玉米秸秆的有效热导率仅为0.042 W m-1K-1,与聚合物泡沫等商用隔热材料相当。另外,玉米秸秆的表面经碳化处理后,其太阳光谱吸收率达到了91%。由于玉米秸秆蒸发体优异的吸光性、亲水性和隔热性,其在一个太阳强度下的蒸汽转化率达到了86%,高于大部分已报道的生物质蒸发体。另外,玉米秸秆成本极低,每平方米仅需0.8美元,在规模化应用中优势明显。

玉米秸秆具有良好的亲水性和极低的热导率,能够在有效供水的同时保持良好的隔热,是一种理想的太阳能界面蒸发体材料。首先对玉米秸秆进行冷冻干燥来保留其内部天然的孔隙结构,然后对其表面进行火焰-快速淬火碳化处理,形成双层蒸发体。

玉米秸秆内部的复杂多孔结构使其能够在有效供水的同时保持良好隔热,从而解决了蒸发体向蒸发表面连续供液和有效隔热之间的矛盾,实现了稳定、高效的太阳能界面蒸发。另外,玉米秸秆蒸发体成本极低、制备工艺简单,促进了太阳能界面蒸发的规模化应用,推动了太阳能海水淡化技术的发展。



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