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生物合成可持续分层太阳能蒸汽发生器的水净化

更新时间:2020-07-15 03:16点击:

水对生命的生存至关重要。然而,水资源短缺已经成为现代社会的一个主要问题。今天,世界五分之一的人口生活在缺水地区,特别是在没有电的地区。

对这些地区的人们来说,获得清洁饮用水往往是一项艰巨的任务。因此,他们迫切需要一种高效、低成本、可持续和容易获得的技术和设备来生产清洁的水。太阳能是地球上最丰富和广泛的资源之一。太阳能净水技术简单、高效,可从非饮用水源如湖水、污水或海水中获取清洁的饮用水。

今天,由中国科学技术大学(USTC)俞树红教授(Prof. Shu-Hong Yu)领导的团队报道了一种高效、可持续的基于细菌纤维素(BC)纳米复合材料的仿生分层太阳能蒸汽发生器(HSSG)。这种HSSG是通过一个一步气溶胶辅助生物合成过程制造的。

所设计的微生物合成工艺成功地与纳米材料的沉积结合,简单高效地构建了复杂的仿生层次结构。该HSSG的分层结构包含三个功能不同的连续层,分别是碳纳米管/BC的吸光层、玻化微珠/BC的保温层和支撑和输送水的木材基板。

在HSSG中,BC水凝胶的三维(3D)纤维素纳米纤维网络显著降低了液态水转化为蒸汽的能耗,加速了水的蒸发。由于HSSG纳米复合材料的分层结构设计和蒸发焓的降低,可以实现2.9 kg m-2 h-1的高蒸发率和80%的太阳蒸汽效率。

在本实验中,纳米复合材料在木质基体上生长,并通过纳米纤维BC网络与木质基体紧密结合。BC纳米纤维与木材中的纤维素交联,在木材中形成渗透层,在木材与BC纳米复合材料层之间起到了较强的粘结剂作用。

这种结构保证了木材向BC纳米复合材料层的快速输送,并使其牢固附着在木材基材上,为保温和输送水提供了结构基础。玻化微珠是一种微尺度的中空玻璃球体,为保温和输水提供了结构基础。

在该装置的顶部,碳纳米管和BC纳米复合材料层具有复杂的交错结构,碳纳米管和纤维素纳米纤维形成纳米纤维的双网络。在这种双网络中,碳纳米管作为高效的太阳能吸收剂,BC纳米纤维用于输送水和减少蒸发能耗。

这种由木材、玻璃气泡/BC和碳纳米管/BC组成的多层结构,旨在实现快速输水、热管理、有效吸光和降低汽化能耗。此外,为了系统地研究蒸发率、能源效率和蒸发能源消耗之间的关系,该团队提供了一个新的二维图表,其中以指示线表示不同的蒸发焓。该理论分析方法可用于分析太阳能蒸汽发电装置不同功能部件对蒸发率的贡献。

与其他太阳能水净化技术相比,HSSG在蒸发率、能源效率、可持续性和成本等方面具有很大优势,是一种很有前途的未来水净化技术。

参考译文:可持续的木质分层太阳能蒸汽发生器:一种降低水蒸发焓的仿生设计by 关庆芳,韩子孟,凌章奇,杨怀滨,余淑红,纳米快报,2020年7月8日。

DOI: 10.1021 / acs.nanolett.0c01088