界面光—蒸汽转化：仿生设计和综合利用
发布时间：2020-04-15 21:07
【摘要】：近年来,淡水资源短缺的问题日益凸显,如何高效地获取淡水资源成为当下重要的议题之一。太阳能界面光-蒸汽转化技术由于其高的能量转化效率,在海水淡化、污水处理等领域展现出极具潜力的应用前景。本文在此领域,从基础理解、仿生设计和综合利用三方面入手,对以下四部分内容进行探索:1)分析了光-蒸汽转化过程中的影响因素,对光-蒸汽转化效率的准确测量和评估进行探讨。此章重点讨论了测量中的综合考虑因素,以及如何正确获取三个关键参量:光强、蒸发量、焓变。这有助于加深对光致蒸发过程的理解,为准确评估材料的转化性能提供一定的参考。2)研究了基于天然材料(香菇)的高效光热转化器件。其独特的三维宏观结构(伞状的菌盖、细长的菌柄),使之在工作中产生较低的热传导、辐射损耗,具有极强的热局域特性。此外,其含氮基团丰富的特性、多孔的微观结构使之可获得充足的水供应,有效的蒸汽逸散。基于以上材料结构的特点,在天然光照下,此香菇基的光热器件可达到～78%的光-蒸汽转换效率。此工作对吸收体在热学调控设计方面具有一定的启发性。3)以碳纳米管薄膜为吸收体,研究其光-蒸汽转化性能,并进一步探索其在海水淡化领域的应用。将碳纳米管用于海水淡化,可将海水中的主要离子浓度降低数个量级。纯化后的水满足世界卫生组织的可饮用水标准。4)受睡莲叶片结构启发,我们从不同尺度(微米、纳米、分子链)精细设计,得到多级仿生结构的光-蒸汽转化器件。由于此器件不仅能实现高效的太阳光捕获、充足的水供应和有效的热局域,还能及时排出盐溶质,使之可持续高效地处理高浓盐水和污水直至固液分离。在整个过程中,器件表面没有污垢沉积,蒸发效率并未下降。此工作将在污水处理、海盐提取、金属回收方面有广泛的应用前景。
【图文】：
在过去的数十年里，由于淡水资源需求的持续增长，淡水资源短缺己成为逡逑人类实现可持续发展道路中的重要威胁之一邋［１－５］。预计在２０２５年，全球将有三逡逑分之二的人口面临水资源匮乏的问题（图１．１）邋［６，邋７］。在近期每年的风险报告中，逡逑世界经济论坛将水资源短缺列为全球最大的危机之一［８－１０］。逐渐增长的世界人逡逑口、不断提高的生活水平、消费结构的变化和农业灌溉的扩张是全球性水需求逡逑增长的主要原因。在中东、阿拉伯、北美、亚洲等部分地区，人们开始利用海逡逑水淡化技术以满足淡水需求。从海水淡化工厂排出的污水严重地威胁水生生物逡逑的安全。最常用的海水淡化技术是：多效闪蒸（ｍｕｌｔｉ－ｓｔａｇｅｆｌａｓｈ，邋ＭＳＦ）、多效逡逑海水淡化（ｍｕｌｔｉ－ｅｆｆｅｃｔ邋ｄｉｓｔｉｌｌａｔｉｏｎ，邋ＭＥＤ）、蒸汽压缩（ｖａｐｏｒ邋ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ，ＶＣ）、逡逑反式渗透膜（ｒｅｖｅｒｓｅ邋ｏｓｍｏｓｉｓ，邋Ｒ０）和电渗透（ｅｌｅｃｔｒｏｄｉａｌｙｓｉｓ，，ＥＤ）邋［１１－１６］。但逡逑是传统的海水淡化技术需要依靠燃烧化石能源来驱动。为了生产１０００邋ｍ３邋ｄａｙ１逡逑的淡水，每年需要消耗１００００吨的石油。这大大X椉恿宋率移宓呐欧帕俊Ｔ阱义险庵智榭鱿拢⒁恢帜芄挥稍偕那褰嗄茉辞牡臀鬯砑际蹂义掀仍诿冀蓿郏保罚桢义希校遥希剩牛茫裕牛腻澹牵蹋希拢粒体澹祝粒裕牛义澹樱茫粒遥茫桑裕伲澹玻埃玻靛义希ィу义希驽义希拢铮酰睿洌幔颍
本文编号：2628985
【图文】：
在过去的数十年里，由于淡水资源需求的持续增长，淡水资源短缺己成为逡逑人类实现可持续发展道路中的重要威胁之一邋［１－５］。预计在２０２５年，全球将有三逡逑分之二的人口面临水资源匮乏的问题（图１．１）邋［６，邋７］。在近期每年的风险报告中，逡逑世界经济论坛将水资源短缺列为全球最大的危机之一［８－１０］。逐渐增长的世界人逡逑口、不断提高的生活水平、消费结构的变化和农业灌溉的扩张是全球性水需求逡逑增长的主要原因。在中东、阿拉伯、北美、亚洲等部分地区，人们开始利用海逡逑水淡化技术以满足淡水需求。从海水淡化工厂排出的污水严重地威胁水生生物逡逑的安全。最常用的海水淡化技术是：多效闪蒸（ｍｕｌｔｉ－ｓｔａｇｅｆｌａｓｈ，邋ＭＳＦ）、多效逡逑海水淡化（ｍｕｌｔｉ－ｅｆｆｅｃｔ邋ｄｉｓｔｉｌｌａｔｉｏｎ，邋ＭＥＤ）、蒸汽压缩（ｖａｐｏｒ邋ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ，ＶＣ）、逡逑反式渗透膜（ｒｅｖｅｒｓｅ邋ｏｓｍｏｓｉｓ，邋Ｒ０）和电渗透（ｅｌｅｃｔｒｏｄｉａｌｙｓｉｓ，，ＥＤ）邋［１１－１６］。但逡逑是传统的海水淡化技术需要依靠燃烧化石能源来驱动。为了生产１０００邋ｍ３邋ｄａｙ１逡逑的淡水，每年需要消耗１００００吨的石油。这大大X椉恿宋率移宓呐欧帕俊Ｔ阱义险庵智榭鱿拢⒁恢帜芄挥稍偕那褰嗄茉辞牡臀鬯砑际蹂义掀仍诿冀蓿郏保罚桢义希校遥希剩牛茫裕牛腻澹牵蹋希拢粒体澹祝粒裕牛义澹樱茫粒遥茫桑裕伲澹玻埃玻靛义希ィу义希驽义希拢铮酰睿洌幔颍
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