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  近日，上海交通大學(xué)趙斌元副教授課題組與倫敦城市大學(xué)喬治丹尼斯助理教授吳衛(wèi)平博士課題組、牛津大學(xué)材料系Robert Bradley教授合作，在清潔能源海水淡化方面取得了重要進展，在《先進功能材料》（《Advanced Functional Materials》）上發(fā)表相關(guān)論文，發(fā)明了以地質(zhì)聚合物和生物質(zhì)介孔碳復(fù)合材料為基礎(chǔ)的太陽能風(fēng)能海水淡化裝置。

  隨著日益增長的需求和氣候環(huán)境的變化，全球淡水資源目前面臨巨大的壓力，而且這種趨勢日益加劇。盡管水處理技術(shù)得到了較大的發(fā)展，但海水淡化仍是目前可提供的最有效的長期解決方案。目前，反滲透膜和蒸汽蒸發(fā)是海水淡化中最常用的兩種技術(shù)，但是耗能大，成本高，對于很多國家和地區(qū)都是較重的經(jīng)濟負擔(dān)。

  最近，利用太陽能進行海水淡化的技術(shù)被多次證明是一種新穎、清潔且可持續(xù)再生的方法，它有效的利用了低品質(zhì)能源。太陽能海水淡化技術(shù)，最大的挑戰(zhàn)是開發(fā)一種光熱轉(zhuǎn)化效率高，易于制備，可以實現(xiàn)大面積生產(chǎn)且廉價的新材料。將太陽能轉(zhuǎn)化為可利用的高效熱能，并可以實現(xiàn)規(guī)模化以解決實際問題。

圖1. 地質(zhì)聚合物介孔碳復(fù)合結(jié)構(gòu)用于光熱海水蒸發(fā)設(shè)計示意圖

  上海交通大學(xué)趙斌元副教授課題組與合作方，他們共同研制出了以地質(zhì)聚合物和生物質(zhì)介孔碳復(fù)合材料為基礎(chǔ)的太陽能風(fēng)能海水淡化裝置。其核心是利用大孔結(jié)構(gòu)的地質(zhì)聚合物進行水傳導(dǎo)，利用生物質(zhì)介孔碳作為吸收太陽能，通過這兩種環(huán)保材料的組合，形成了結(jié)構(gòu)和外形可控，且具有良好的機械強度，可進行機械加工的材料形成光熱蒸發(fā)裝置。在一個標(biāo)準(zhǔn)太陽光照射下，轉(zhuǎn)化效率為84.97%，每平方米每小時可獲得1.58升淡水。

圖2. 掃描電子顯微鏡SEM和透射電鏡TEM照片

  生物質(zhì)多孔碳由生物質(zhì)秸稈制成，可制備成成型結(jié)構(gòu)，具有35 MPa的抗壓強度，抗彎強度14 MPa，比表面積約470 m2/g, 孔尺寸3 nm - 5 nm，在超寬太陽光譜（400 nm - 2500 nm）范圍內(nèi)具有較高的光吸收效率（平均92%-95%），這保證了較高的能量傳遞效率。地質(zhì)聚合物孔徑約10 um - 20 μm，親水性良好，利用毛細作用可以將底部的水快速傳輸?shù)巾敳繜釁^(qū)，導(dǎo)熱系數(shù)低（0.15-0.48 W/mK），有效的實現(xiàn)了水的傳輸及熱量的管理。

圖3. 光熱蒸發(fā)的溫度場分布和風(fēng)增強的光熱蒸發(fā)效果圖

  此外，文章還研究了利用微弱的風(fēng)能，在蒸發(fā)層上方快速形成蒸汽負壓，加速水蒸氣的蒸發(fā)和逃逸。在1個太陽能，3m/s的風(fēng)速下，蒸發(fā)效果顯著增強，每平方米每小時可以實現(xiàn)7.55升淡水。所采用的材料具有成本低廉，性能穩(wěn)定，環(huán)境友好等優(yōu)勢，可持續(xù)、經(jīng)濟、大規(guī)模地生產(chǎn)清潔水。

  該項研究發(fā)表題為《Low Cost, Robust, Environmentally Friendly Geopolymer-Mesoporous Carbon Composites for Efficient Solar Powered Steam Generation》的論文，獲得了審稿人高度評價，并被《先進功能材料》選為封面，課題組博士生劉豐華為論文的第一作者。該項目獲得了英國創(chuàng)新署(Innovate UK, Grant 104013)和上海市科委(STCSM, Grant 17230732700)的資助。

  原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adfm.201803266

  封面鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.201870332