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利用光熱轉換布從海水中連續生產淡水和濃縮鹽水能源材料、環境材料。

關鍵詞： 太陽能，光熱轉換布，海水蒸發，新材料，濃縮鹽水

應用領域

海水淡化；太陽能利用；鹽業

成果簡介

成果背景

淡水資源短缺是全球面臨的最嚴峻問題之一，海水淡化被認為是解決淡水危機的最佳途徑。傳統的海水淡化技術往往需要消耗化石能源，不可避免地會造成污染，加重環境負擔，太陽能光熱海水淡化技術的出現為解決這一問題提供了新途徑。太陽能光熱海水淡化是指利用太陽光加熱海水產生水蒸氣，再通過冷凝得到淡水的技術。這一技術僅通過太陽光和海水就可得到淡水，無需消耗其他化石類能源，因其低價、清潔、可持續的特點而備受關注。目前人們開發出了一系列納米結構的光熱轉換薄膜，它們都展現了較好的蒸發性能，已有研究大多將光熱轉換層直接漂浮在海水表面，再通過太陽光照射產生蒸汽，然而，這種漂浮模式的發展面臨五大瓶頸：(1)光熱轉換層的下表面與海水直接接觸，所產生的熱會向下層海水傳遞，造成熱損失；(2)漂浮模式僅有上表面發生蒸發，蒸發麵積有限；(3)蒸發過程中，海水中的鹽會在材料表面積累，最終析出產生結晶，嚴重阻礙光吸收，破壞材料微觀結構，使蒸發速度顯著降低；(4)太陽東升西落，隨着太陽高度角逐漸降低，陽光越發傾斜，漂浮模式所能捕獲的光能急劇減少，蒸發性能大幅下降；(5)水分子之間的氫鍵作用較強，水蒸發需要吸收大量熱才能進行，蒸發焓較高。為了解決以上難題，東華大學纖維材料改性國家重點實驗室/材料科學與工程學院陳志鋼研究團隊發展了多種光熱轉換織物，並成功用於太陽光驅動的海水蒸發，從海水中連續生產淡水和濃縮鹽水。

成果進展

發展耐洗滌的柔性光熱轉換布用於連續海水蒸發

針對光熱海水淡化過程中的析鹽問題，受到衣物易清洗、不褪色等特徵的激發，本團隊發展了新型柔性可清洗的光熱轉換布。以碳納米管(CNTs)作為光熱轉換納米材料，以聚丙烯腈(PAN)作為基體，通過靜電紡絲技術成功製備了柔性光熱無紡布(圖1a,b)。這種無紡布由直徑約為200 nm的PAN納米纖維組成(圖1c)，納米纖維中包裹有CNTs(圖1d)。

在太陽光照射下，隨着蒸發的進行，薄膜表面不斷析出鹽顆粒，1小時後出現了鹽顆粒薄層，5小時後有大量鹽顆粒堆積在表面(圖2a)。鹽顆粒不僅阻礙了入射光，並且使得水蒸氣難以由膜的內部向外擴散，促使蒸發速度從第一小時的1.44 kg m-2 h-1降低到第五小時的0.65 kg m-2 h-1(圖2b)，下降率達到55%。