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东华大学陈志钢、朱美芳:在阳光下悬挂光热织物——从海水中连续生产水和浓缩卤水

利用太阳能蒸发使海水淡化技术是一种有吸引力的、可再生的、环境友好的海水淡化技术。该技术关键是将太阳能集中在水-空气界面上,以产生局部的高温,用于蒸发界面的海水。膜反应区域到水体的热损失,有限的反应区域,以及严重的积盐现象是阻碍太阳能薄膜用于海水淡化应用的几个因素。


东华大学陈志钢、朱美芳:在阳光下悬挂光热织物——从海水中连续生产水和浓缩卤水(图1)
为了解决上述问题,近日,东华大学陈志钢教授朱美芳教授课题组和新加坡国立大学刘小刚教授合作设计并制备了一种亲水性的聚合物纳米棒涂层光热织物,并在此基础上提出了一种悬挂织物的间接接触蒸发系统。该系统具体为在织物的两端设计为与海水接触,以引导水通过毛细管抽吸流动。悬挂面料的两个弧形上下表面都暴露在空气中,可以防止散热到海水中,并促进阳光照射下的双面蒸发。该研究成果以题为“ContinuouslyProducing Watersteam and Concentrated Brine from Seawater by HangingPhotothermal Fabrics under Sunlight”的论文发表在《Advanced Function Materials)》上(见文末原文链接)。
东华大学陈志钢、朱美芳:在阳光下悬挂光热织物——从海水中连续生产水和浓缩卤水(图2)
 图1 海水蒸发示意图(a, b)传统的浮式光热膜;(c, d)新型的悬垂式光热织物
其中,白棉织物由于其低成本、高质地孔隙率和亲水性以及大规模生产的可行性而被选为灵活和稳定的支撑物。聚苯胺(PANI)由于其低成本和宽/高的光吸收能力而被用作光热纳米材料的模型。并采用低温聚合法制备了掺HCl的PANI纳米棒,其直径为50-100nm,长度为300-600nm。随后,通过简单的滴干过程实现了PANI纳米棒在棉织物上的涂布。
东华大学陈志钢、朱美芳:在阳光下悬挂光热织物——从海水中连续生产水和浓缩卤水(图3)
图2PANI-织物的亲水性和光学性能
结果表明,PANI-棉织物的太阳吸收率为96.3%,可归因于PANI的强烈光吸收和PANI-棉织物中增加的表面粗糙度和纹理,从而产生入射光的多重散射和吸收。而广泛的光吸收可以提供高的光热效应。当PANI-棉织物的两个边缘浸泡在两个水箱中时,其平均表面温度在60秒时迅速上升到≈39°C,然后在连续600秒照射下稳定在≈40°C。悬挂式湿泛棉布的温升(≈18°C)低于干布的温升(≈49°C)。
与浮动织物相比,悬挂织物仅表现出极低的空气热损失,几乎没有散热到本体水,从而导致局部热效应和表面温度的增强。此外,水浸织物的高导热系数使得悬挂织物能够均匀加热,水的蒸发在其顶部和底部都发生,可能导致双面蒸发,然后促进蒸发率。
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图3蒸发性能
循环蒸发试验表明聚苯胺棉织物在集中阳光下具有良好的长期稳定性和较高的耐久性,可用于实际海水淡化。同时,通过控制滴速,滴加浓缩卤水还可用于其他工业应用,如海盐制备、氯碱工业和稀有元素提取,并且可以避免盐的积累,从而导致在太阳照射下连续和高效地生产水蒸气(将成为淡水)。此外,PANI-棉织物保留了纯棉织物的所有机械性能(如优异的折叠性和较强的机械强度),这使得它们可以包装和展开,用于大规模的太阳能淡化。
这项工作不仅展示了太阳能间接接触蒸发装置与悬挂织物的巨大潜力,可以高效、连续地从海水中生产水蒸气和浓缩盐水,而且为未来水净化应用、溶质富集和工业分离的发展提供了新的机会。



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