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利用光热转换布从海水中连续生产淡水和浓缩盐水能源材料、环境材料。

关键词： 太阳能，光热转换布，海水蒸发，新材料，浓缩盐水

应用领域

海水淡化；太阳能利用；盐业

成果简介

成果背景

淡水资源短缺是全球面临的最严峻问题之一，海水淡化被认为是解决淡水危机的最佳途径。传统的海水淡化技术往往需要消耗化石能源，不可避免地会造成污染，加重环境负担，太阳能光热海水淡化技术的出现为解决这一问题提供了新途径。太阳能光热海水淡化是指利用太阳光加热海水产生水蒸气，再通过冷凝得到淡水的技术。这一技术仅通过太阳光和海水就可得到淡水，无需消耗其他化石类能源，因其低价、清洁、可持续的特点而备受关注。目前人们开发出了一系列纳米结构的光热转换薄膜，它们都展现了较好的蒸发性能，已有研究大多将光热转换层直接漂浮在海水表面，再通过太阳光照射产生蒸汽，然而，这种漂浮模式的发展面临五大瓶颈：(1)光热转换层的下表面与海水直接接触，所产生的热会向下层海水传递，造成热损失；(2)漂浮模式仅有上表面发生蒸发，蒸发面积有限；(3)蒸发过程中，海水中的盐会在材料表面积累，最终析出产生结晶，严重阻碍光吸收，破坏材料微观结构，使蒸发速度显著降低；(4)太阳东升西落，随着太阳高度角逐渐降低，阳光越发倾斜，漂浮模式所能捕获的光能急剧减少，蒸发性能大幅下降；(5)水分子之间的氢键作用较强，水蒸发需要吸收大量热才能进行，蒸发焓较高。为了解决以上难题，东华大学纤维材料改性国家重点实验室/材料科学与工程学院陈志钢研究团队发展了多种光热转换织物，并成功用于太阳光驱动的海水蒸发，从海水中连续生产淡水和浓缩盐水。

成果进展

发展耐洗涤的柔性光热转换布用于连续海水蒸发

针对光热海水淡化过程中的析盐问题，受到衣物易清洗、不褪色等特征的激发，本团队发展了新型柔性可清洗的光热转换布。以碳纳米管(CNTs)作为光热转换纳米材料，以聚丙烯腈(PAN)作为基体，通过静电纺丝技术成功制备了柔性光热无纺布(图1a,b)。这种无纺布由直径约为200 nm的PAN纳米纤维组成(图1c)，纳米纤维中包裹有CNTs(图1d)。

在太阳光照射下，随着蒸发的进行，薄膜表面不断析出盐颗粒，1小时后出现了盐颗粒薄层，5小时后有大量盐颗粒堆积在表面(图2a)。盐颗粒不仅阻碍了入射光，并且使得水蒸气难以由膜的内部向外扩散，促使蒸发速度从第一小时的1.44 kg m-2 h-1降低到第五小时的0.65 kg m-2 h-1(图2b)，下降率达到55%。