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隨著全球人口的增長(zhǎng),淡水供應(yīng)比以往更加珍貴。雖然科學(xué)家和工程師知道如何凈化水,但使這些方法可持續(xù)和節(jié)能是另一個(gè)問題。
一種有前途的方法是太陽能驅(qū)動(dòng)蒸餾或太陽能蒸汽發(fā)生,它可以幫助我們從廢水或海水中獲取淡水。研究人員已經(jīng)使用這種方法成功地提取了小批量的純凈水,但他們?nèi)栽趯ふ乙环N大規(guī)模的方法。
芝加哥大學(xué)普利茲克分子工程學(xué)院和UChicago附屬阿貢國家實(shí)驗(yàn)室的研究人員是開發(fā)一種開創(chuàng)性的太陽能蒸汽發(fā)生新方法的團(tuán)隊(duì)的一員,該方法可以幫助將這項(xiàng)技術(shù)帶入現(xiàn)實(shí)世界。這些材料可以通過簡(jiǎn)單的一步法在木材,織物或海綿上生長(zhǎng),并為大規(guī)模生產(chǎn)帶來希望。
“太陽能蒸汽發(fā)生技術(shù)現(xiàn)在仍主要集中在實(shí)驗(yàn)室使用上,”普利茲克分子工程研究生和該研究的第一作者Zijing Xia說。“我們希望找到一種以相對(duì)較低的成本制造太陽能蒸汽發(fā)生器的簡(jiǎn)便方法。”
他們創(chuàng)新工作的成果最近發(fā)表在Advanced Materials Interfaces 期刊上。
在尋找太陽能蒸汽系統(tǒng)時(shí),研究人員已經(jīng)嘗試了各種將光轉(zhuǎn)化為熱的材料,如碳材料,等離子體金屬和半導(dǎo)體。但是,其中許多選項(xiàng)的效率相對(duì)較低,以及其他挑戰(zhàn),因此繼續(xù)尋找真正具有變革性的方法。
高性能太陽能蒸汽發(fā)生器理想地結(jié)合了幾個(gè)特征。它應(yīng)該在水上漂浮,能夠吸收廣泛的光線,將光線有效地轉(zhuǎn)換為熱量并能夠?qū)崃總鬟f給水。不幸的是,許多先前研究的方法缺乏促進(jìn)向水的熱傳遞所需的多孔結(jié)構(gòu)。
“現(xiàn)有的大多數(shù)方法都不易設(shè)計(jì),無法對(duì)形狀和高光熱效率進(jìn)行任意控制,從而產(chǎn)生蒸汽發(fā)生裝置,”Xia說。
夏的方法與眾不同的是使用卟啉共價(jià)有機(jī)骨架或POF。新發(fā)現(xiàn)的一類材料,POF可以在具有不同孔隙率的各種材料的表面上均勻生長(zhǎng),并且它們表現(xiàn)出高水蒸發(fā)性能。POF還具有獨(dú)特的光捕獲特性,有利于新應(yīng)用。
在實(shí)驗(yàn)室中,POF成功地在每種測(cè)試材料的內(nèi)表面和外表面上生長(zhǎng)。并且每個(gè)模板顯示出有利的光熱性質(zhì),表明POF基材料是太陽能蒸汽發(fā)生的有希望的候選者。POF膜能夠捕獲大部分陽光光譜中95%以上的光。
夏說,這項(xiàng)研究最有希望的結(jié)果是POF能夠在許多不同種類的材料表面生長(zhǎng),包括膜,織物,海綿和木材。木材表現(xiàn)出特別強(qiáng)勁的性能,研究人員測(cè)量的光 - 蒸汽轉(zhuǎn)換效率約為80%。
POF在多種材料上生長(zhǎng)的能力使其易于適應(yīng)當(dāng)?shù)乜捎玫牟牧?。這種多功能性與簡(jiǎn)單的一步制造工藝相結(jié)合,可以使該方法適用于大規(guī)模生產(chǎn)。
基于POF的方法在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中證明非常有效,研究團(tuán)隊(duì)計(jì)劃在實(shí)驗(yàn)室外進(jìn)行進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn),以觀察POF的實(shí)際性能。
到目前為止,研究表明POF可以幫助推動(dòng)未來的可持續(xù)水凈化系統(tǒng)。
“基于POF的界面工程設(shè)計(jì)顯示出大規(guī)模凈化方法的前景,它也可用于海水淡化,廢水處理等,”Xia說。
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