高效太陽能水蒸發器
關注創建者：非金非土非木 創建時間：2021-07-19
高效太陽能水蒸發器的實例教程
大量粘附在PU骨架上的親水性PDA中空管可以通過毛細管作用將水快速的輸送至器件的上表面，進而結合PDA的光熱轉換和水合作用實現高效的太陽能水蒸發。與此同時，裸露于液面以上的器件側表面所粘附的PDA-t還可以利用水蒸發過程的吸熱作用從環境中獲取熱量，進一步提升SVG效率。根據器件裸露在液面之上的高度不同，其表觀SVG效率可高達2.5~3.6 kg m-2 h-1。
圖2 (a) PDA-t@PU三維太陽能蒸發器示意圖. (b) 不同液面裸露高度條件下PDA-t@PU蒸發器的水失重率. (c) PDA-t@PU蒸發器的表觀SVG速率、上表面SVG速率及側表面SVG速率. (d) PDA-t@PU蒸發器表觀SVG速率與文獻比較.
與此同時，他們還研究了室外光照條件下PDA-t@PU三維太陽能蒸發器的實際表現。結果表明即使在陰云較多，光照條件不好的情況下（0.2標準太陽光強度），PDA-t@PU蒸發器的表觀SVG速率仍可達到1.37 kg m-2 h-1。此外，得益于優異的水輸送性能，PDA-t@PU蒸發器可以長時間處理模擬海水而不發生表面鹽沉積和蒸發效率下降。即使對于高鹽濃度的鹵水，蒸發器表面沉積的少量鹽也可以在停止光照的暗室條件下重新溶解而清除。這些結果都說明PDA-t@PU蒸發器具有非常高的實際應用價值，該研究為太陽能水蒸發器的多功能集成設計和協同增效提供了新的思路。
圖3 (a) PDA-t@PU蒸發器在室外的太陽能水蒸發表現 (2021年5月23日, 北京時間 9:00–19:00, 四川大學，成都).
展開 界面蒸發太陽能海水淡化對于緩解全球淡水危機來說是一種很有前景的低成本方式。近年來，因其能有效降低水的蒸發焓而顯著提高水的蒸發效率，水凝膠逐漸成為一種廣受歡迎的太陽能驅動的界面蒸發器的制作材料。但是對于蒸發器來說，在追求高效的蒸發表現的同時，材料的可持續發展性也備受關注，尤其考慮到蒸發器在工作狀態中的生物適應性，可持續性，無毒性和在報廢狀態下的生物可降解性。
對此，鄭義教授團隊聯合National Renewable Energy Laboratory (Dr. Shuang Cui) ，Marine Biological Laboratory (Prof. Joseph A. DeGiorgis) 和Providence College (Prof. Yinsheng Wan) 制作了完全基于殼聚糖 (CS) 和墨魚汁粉末 (CI) 的多孔結構的水凝膠可作為高效穩定的具有排鹽能力的太陽能蒸發器。在一個太陽照射下，蒸發速率高達4.1 kg m-2 h-1 (圖1) 。
圖1. 完全基于海洋生物提取物的CI/CS太陽能蒸發器的示意圖。
圖2. CI/CS水凝膠的制備流程圖。
該太陽能界面蒸發器是以基于殼聚糖的水凝膠為主體進行海水的輸送和熱量的積聚，混合以黑色的墨魚汁粉末作為光熱材料進行太陽輻射的吸收并將之轉化為熱能，最后采用凍干的方式使其產生三維的內部相互交通的多孔性結構 (圖2)。殼聚糖是一種多糖材料，來自于甲殼素的 N-脫乙酰化，是自然界中存在豐富的氨基多糖，主要是從甲殼類動物 (如螃蟹和蝦) 提取而來。
展開 【科研摘要】
太陽能驅動的蒸發
對于可持續的淡水生產且無高能耗非常有希望。到目前為止，在一臺蒸發器中既要實現高性能又要具有成本效益仍然是一個挑戰。此外，鮮有報道的策略克服了水源中出現的微塑性污染和全天蒸發不佳的障礙。最近，
東南大學
代云茜教授
團隊
通過
簡單地拉伸棉花就可以容易地構建低成本，高效，生物質衍生的具有梯度垂直微通道的三維（
3D）石墨烯/
棉海綿
。
它是一種多功能的光熱平臺，具有高蒸發速率
（2.49 kg m
-2
h
-1
，垂直于頂面和側面），并且可以承受高達其重量8750倍的大外部應力。此外，在首次嘗試從微塑料污染源中有效蒸發水（90.6％）的
過程中，通過
3D MoS
2
/石墨烯/
棉花
通過活性氧物種攻擊和多重吸附，從蒸發水中去除了近100％的聚乙烯（PE）微纖維
。
采用新的原位FTIR顯微鏡技術來準確監測PE微塑料的降解機理。在富含氧氣的水中，PE的降解效率高達19％，主要是由反應性O
2
引起的，并且可以在1小時內借助其他反應性物質（例如˙HOO和H
2
O
2
）輕松提高到32％ 。此外，在有限元分析（FEA）的指導下，相變聚乙二醇（PEG）層在石墨烯/棉的外部進行了功能化。值得注意的是，它通過在黑暗中利用熱能，具有極高的全
天蒸發速率（每天每平方米每小時
1.63千克，是不具有相變功能的傳統蒸發器的1.42倍）。這項工作提供了有前景的替代策略，即使在黑暗條件下，也可以從微塑性污染和可持續蒸發中低成本收集干凈的水。
展開 f) 在 1 個太陽下，水隨時間的質量變化。g)SG3超過9小時的長期穩定性測試。h) 純水和不同含水量的 cl-PVA/SA/PAAS 水凝膠的 DSC 曲線和 i) cl-PVA/SA/PAAS水凝膠中水的拉曼光譜和譜帶擬
合。
圖7
a) 基于滲透泵效應的太陽能海水淡化示意圖。b) 1 太陽下不同 PAAS 含量的 SG3 太陽能脫鹽。c) SG3 在鹽度范圍很廣的鹽水中的水分蒸發率。d) 太陽能淡化過程中 SG3 表面的數碼照片。e) SG3 在室內環境中超過 2 個月的同步水分蒸發率和光照強度。f) 鹽水中水凝膠的脫鹽率。g) 具有廣泛鹽度的鹽水中水凝膠的失水/失水。h) 太陽能淡化前后海水的一次元素濃度和鹽度。
【總結】
總之，通過自修復聚合物水凝膠的輕松集成成功制造了整體式、耐用且自漂浮的界面蒸汽發生器，并證明其可用于高性能太陽能驅動的水蒸發和脫鹽。選定的復合聚合物作為水凝膠中的構建塊提供了設計的獨特優點，其合理性如下：
i）利用豐富的動態共價和非共價鍵，通過化學和物理交聯成功形成自修復水凝膠PVA、SA 和 PAAS。它們的保水性、機械性能和自愈能力很容易通過改變材料成分的質量比來調節，從而首次開發出用于界面蒸汽發生器的自愈和耐損壞構件；ii) 表面粗糙度的調節和結構元件（太陽能吸收器和水路）的集成通過自愈過程得到了
顯著簡化；
iii) 優化的材料組件和合理的器件結構使整體器件中太陽能吸收、浮力、耐久性、水擴散、熱定位和耐鹽性的協同管理成為可能。
結果，淡水設備在 1 個太陽下達到了 ≈2.2 kg m-2 h
-1
的高且穩定的水蒸發率。
展開 水蒸發是水-空氣界面的吸熱過程，水分子的能量在此過程中進行傳輸。因此，在水-空氣界面處進行局部加熱是提高太陽能蒸發的能量效率的有效方法。當前光熱材料的關鍵挑戰是將水與揮發性有機化合物（VOC）分離。當前的材料只能通過相變將水與非揮發性污染物分離，而不能以廢水中的合成有機物形式存在的揮發性有機化合物以及天然水中微生物代謝產生的生物有機物。污染物可能與水一起蒸發，導致蒸餾水受到二次污染，甚至可能富含蒸餾水。因此，非常需要允許水分子容易滲透但阻止VOCs蒸發的光熱材料。
為此，來自哈爾濱工業大學和南洋理工大學等單位的研究人員報道了一種微結構的超薄聚合物膜，該膜能夠通過太陽蒸發以90％的VOC去除率從VOC污染物中分離出淡水。相關論文以題為“具有選擇性溶液擴散作用的聚合物膜，用于攔截太陽能驅動的水修復過程中的揮發性”發表在頂尖期刊《Advanced Materials》上。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1002/adma.202004401
水和揮發性有機化合物與聚合物膜的不同溶液擴散行為促進了它們的分離。此外，由于增加了光吸收，擴大了液-氣界面以及縮短了傳質距離，膜的微結構和超薄結構有助于平衡滲透選擇性和產水量之間的平衡。該膜不僅可以有效地蒸發原型中模擬揮發性污染物，而且還可以攔截天然水源中復雜的揮發性有機污染物，并生產出符合飲用水標準的水。通過實際演示和令人滿意的凈化性能，這項工作為有效蒸發水修復中的太陽能蒸發的實際應用鋪平了道路。
方案1. a）水和苯酚與PPy的化學親和力。 b）在選擇性滲透過程中，分子大小對溶液的影響以及分子-膜相互作用對擴散的影響。 c）使用MPS-PPy膜產生蒸汽的示意圖。
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利用太陽能光熱蒸發海水具有聯產淡水和電能的潛力。在太陽能光熱蒸發過程中，不僅海水可以經蒸發、冷凝轉化為淡水，而且可以驅動海水中鹽離子的定向流動，產生電流。然而，當前報道的雙功能蒸發器多為組裝的二維（2D）結構，通常存在蒸汽生成率低（一個太陽光照強度下 < 2 kg m-2 h-
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界面蒸發太陽能海水淡化對于緩解全球淡水危機來說是一種很有前景的低成本方式。近年來，因其能有效降低水的蒸發焓而顯著提高水的蒸發效率，水凝膠逐漸成為一種廣受歡迎的太陽能驅動的界面蒸發器的制作材料。但是對于蒸發器來說，在追求高效的蒸發表現的同時，材料的可持續發展性也備受關注，尤其考慮到蒸發器在工作狀態中的生物適應性，可持續性，
世界范圍內水資源短缺問題的日益加重促進了清潔高效的淡水供應技術的快速發展。從緩解能源危機和環境問題的角度來看，利用太陽能的光熱轉換驅動水快速蒸發是一種獲取淡水的有效手段。太陽能驅動的界面水蒸發目前被公認為是一種高效且可持續的淡水供應技術。然而，為實現高能量轉換效率，界面蒸發系統結構復雜，通常由幾個模塊組合而成，包括專門的水輸送
【摘要】
太陽能驅動的海水蒸發通常在浮動蒸發器上實現，但其性能受到高蒸發焓、固體鹽結晶以及陽光傾斜導致蒸發減少的限制。為了解決這些問題，
東華大學
陳志鋼教授
/
朱美芳院士
團隊共同
制造了分層聚丙烯腈
@硫化銅（PAN@CuS）織物并提出了向日葵蒸發器的原型。
與純水 (2406.17
太陽能界面水蒸發是實現高效低能耗海水淡化的有效途徑，如何通過材料和結構設計來提高界面光熱汽化效率也是目前研究的主流方向。影響太陽能蒸汽產生過程（Solar vapor generation，SVG）有四個關鍵因素：光熱轉換、熱傳輸、水傳輸和水蒸發過程。目前已有大量研究針對以上這些子過程進行設計，以達到提高
【摘要】
太陽能驅動的界面蒸發已成為一種用于高效、清潔水生產的創新和可持續技術。現實世界的應用依賴于新型低成本、輕質和堅固的材料，這些材料可以集成到一個整體設備中，該設備能夠承受開闊水域的各種現實條件。盡管迄今為止相關研究很少，但自修復構件非常需要防止永久性故障、恢復原始功能和維持界面蒸汽發生器的使用壽命。
【科研摘要】
太陽能驅動的蒸發
對于可持續的淡水生產且無高能耗非常有希望。到目前為止，在一臺蒸發器中既要實現高性能又要具有成本效益仍然是一個挑戰。此外，鮮有報道的策略克服了水源中出現的微塑性污染和全天蒸發不佳的障礙。最近，
東南大學
代云茜教授
團隊
通過
簡單地拉伸棉花就可以容易地構建低成本，高效，生物質衍生的具有梯度垂直微通道的三維
太陽蒸發被認為是一種綠色，可持續的水修復策略，在海水淡化，消毒和淡水生產中具有廣泛的應用。水蒸發是水-空氣界面的吸熱過程，水分子的能量在此過程中進行傳輸。因此，在水-空氣界面處進行局部加熱是提高太陽能蒸發的能量效率的有效方法。當前光熱材料的關鍵挑戰是將水與揮發性有機化合物（VOC）分離。當前的材料只能通過相變將水與非揮發性污染物分離，而不能以廢水中的合成有機物形式存在的揮發性有機化合物以及天然水中
清潔水循環利用是備受關注的世界問題。一直以來，人們呼吁將海水或廢水凈化，以減少能源消耗并降低對水環境的負面影響。太陽能的可持續性和環境友好性使太陽能蒸餾技術備受關注。經濟適用及高質量的太陽能凈水系統還需突破，以實現有效的能量收集，轉化以及高凈水率。為了克服太陽光散射而減少所提供的動力，各種吸光材料被開發，如通過調節納米材料的尺寸和形態來收集整個太陽光。近期，在《Advanced Material》
