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九游官网网页版邓红兵教授/东华大学丁彬教授课题组仿生生物质纤维实现高耐盐性太阳能海水淡化取得新进展
发布时间:2021-06-25 20:00:10     发布者:雷起宏     浏览次数:

当前,人类广泛受到淡水资源匮乏的困扰。近年来,研究人员通常利用反渗透、电渗析、膜蒸馏等技术从海水中分离淡水以解决水资源匮乏的困扰。然而,这些技术普遍存在高耗能的缺点,使得海水淡化成本居高不下。

最近,太阳能驱动的海水淡化技术得到了较为快速的发展。以太阳能代替化石能源或电能来获取淡水的技术使得淡化所需的能耗显著降低。但是,当前关于海水淡化的报道往往过多关注提升海水淡化的速率,而忽视了海水淡化过程中盐分在蒸发界面浓缩、结晶的情况,蒸发界面累积的盐分严重破坏了其高太阳能吸收特性,这对于持续、高效的太阳能脱盐是一个巨大的挑战。因此,蒸发器合理的结构设计至关重要。

    自然界中,芦苇叶具有平行排列的维管束和疏水的表面。这些平行排列的维管束能够将光合作用产物运输到根部,避免光合作用在叶片中的过度累积。疏水性的表面具有防污作用,能够防止叶片被雨水污染。邓红兵/丁彬等人在前期工作基础上(Advanced Materials, 2020, 32, 1908269),芦苇叶生理功能启发,进一步设计了具有平行排列管道结构和疏水表面的纳米纤维气凝胶(R-NFAs),以实现耐盐的太阳能海水淡化。

    图1、(a)传统太阳能蒸发器的光吸收、水传输、蒸汽产生和盐结晶。(b)芦苇叶的微观结构和疏水性。(c)芦苇叶启发的纳米纤维气凝胶(R-NFAs)蒸发器的光吸收、水传输、蒸汽产生和耐盐性。

二氧化硅纳米纤维膜在高速均质下被粉碎成相互缠结的二氧化硅纳米纤维分散体。上述分散体通过冷冻干燥形成白色的纳米纤维气凝胶。随后将聚吡咯沉积在气凝胶的表面,并再次冷冻干燥得到黑色纳米纤维气凝胶(B-NFAs)。最后,将水解后的甲基三甲氧基硅烷负载到气凝胶的一侧,得到具有单侧疏水性的R-NFA。

二氧化硅纳米纤维被组装成分层多孔结构。R-NFAs的结构与芦苇叶的结构相似,可分为三个层次:管道(150-200μm)、管道壁(25-50μm)和狼牙棒状纳米纤维(<1μm)。上述精心设计的仿生结构使得R-NFAs具有多种适宜于太阳能海水淡化的特点。良好的机械性能使R-NFAs可多次被压缩/回弹。疏水化表面允许水滴停留在气凝胶表面而不是被吸收。暴露在模拟太阳光下后,在淡水收集系统的冷凝壳上能迅速观察到大量冷凝淡水,R-NFAs显示出巨大的海水淡化潜力。

    图2.(a) R-NFAs制造过程示意图。(b-d)不同放大倍数的R-NFA的分级多孔结构。(e) R-NFA的压缩和回弹。(f) R-NFA的光吸收和疏水性。(g) R-NFAs海水淡化冷凝水收集演示系统。

   在进一步的太阳能海水淡化实验中,尽管B-NFAs的蒸发速率在最初几分钟急剧上升并且明显高于R-NFAs的蒸发速率,但10分钟后其蒸发速率开始下降,15分钟后,其蒸发速率就已经低于R-NFAs。运行30分钟后,B-NFAs的蒸发率仅为原始蒸发率的50%,而R-NFAs的蒸发速率仍然保持稳定。B-NFAs的表面完全被盐晶体覆盖,显著降低了它们的光吸收性能,使其难以保持长期有效蒸发。对于R-NFAs,虽然在蒸发器的侧面出现了盐晶体,但顶部表面和底部亲水层仍保持原始状态,因此蒸发器仍始终维持高效的蒸发速率。

3.(a) R-NFAB-NFAs在盐水中的蒸发速率。(b,c) R-NFA的耐盐性和B-NFA的盐积累。

以上成果以Reed Leaves Inspired Silica Nanofibrous Aerogels with Parallel-Arranged Vessels for Salt-Resistant Solar Desalination为题发表在ACS Nano上。论文的第一作者为九游官网网页版资源与环境科学院博士生董向阳,东华大学斯阳研究员、九游官网网页版陈朝吉教授为论文共同作者,论文通讯作者为九游官网网页版邓红兵教授和东华大学丁彬教授。

论文链接:https://doi.org/10.1021/acsnano.1c04035


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