【摘要】大連理工大學(xué)極端條件熱物理與能源系統(tǒng)團(tuán)隊(duì)的李林副教授和唐大偉教授利用玉米秸稈開發(fā)了一種高效、低成本的蒸發(fā)體用于太陽能海水淡化。玉米秸稈不僅是一種低成本的農(nóng)業(yè)廢棄物，它還具有孔隙發(fā)達(dá)、密度低等特點(diǎn)。其內(nèi)部具有復(fù)雜的多孔結(jié)構(gòu)，可以在高效輸水的同時(shí)保持良好的隔熱。這些特點(diǎn)使該蒸發(fā)體在一個(gè)太陽強(qiáng)度下的蒸汽轉(zhuǎn)化率達(dá)到了86%，蒸發(fā)速率達(dá)到了1.497 kg m-2h-1。該研究成果以Highly Thermally Insulated and Superhyhilic Corn Straw forEfficient Solar Vapor Generation為題，發(fā)表于ACS Appl. Mater.Interfaces，論文第一作者為博士生張昊天。

【背景介紹】

太陽能界面蒸發(fā)是一種新型太陽能海水淡化方式。它通過將一種具有多孔結(jié)構(gòu)的蒸發(fā)體漂浮于水面上，在水-空氣界面處進(jìn)行光熱轉(zhuǎn)換形成局部熱區(qū)，同時(shí)蒸發(fā)體的內(nèi)部多孔結(jié)構(gòu)通過毛細(xì)作用向頂部熱區(qū)連續(xù)供水，從而引起蒸發(fā)。該技術(shù)由于具有熱損小、系統(tǒng)簡(jiǎn)單、成本低等優(yōu)點(diǎn)而極具前景。高效的蒸發(fā)體需要在頂部蒸發(fā)表面聚集熱量，同時(shí)向該區(qū)域連續(xù)供液，這就要求其能夠在保持良好隔熱的同時(shí)高效輸水。然而，普通的多孔介質(zhì)在飽和液相狀態(tài)下的熱導(dǎo)率會(huì)大幅增加，增大了熱量向下方水體的散失，使其蒸發(fā)性能受限。另外，當(dāng)前報(bào)道的大部分蒸發(fā)體（例如：石墨烯泡沫、貴金屬修飾的碳海綿、水凝膠等）還存在著制備工藝復(fù)雜、成本昂貴等問題。

【本文亮點(diǎn)】

針對(duì)以上問題，作者以玉米秸稈這一農(nóng)業(yè)廢棄物為原材料，通過一步表面碳化處理，制備出了一種低成本、易合成的生物質(zhì)蒸發(fā)體。玉米秸稈內(nèi)部具有復(fù)雜的多孔結(jié)構(gòu)，包括相互連通的管束、封閉的管胞、微孔、納米孔等，而且管胞環(huán)繞管束形成了陣列結(jié)構(gòu)。由此構(gòu)建的蒸發(fā)體不僅可以通過管束、微孔進(jìn)行輸水，而且還可以通過管胞進(jìn)行隔熱，從而實(shí)現(xiàn)在高效輸水的同時(shí)有效隔熱。玉米秸稈的有效熱導(dǎo)率僅為0.042 W m-1K-1，與聚合物泡沫等商用隔熱材料相當(dāng)。另外，玉米秸稈的表面經(jīng)碳化處理后，其太陽光譜吸收率達(dá)到了91%。由于玉米秸稈蒸發(fā)體優(yōu)異的吸光性、親水性和隔熱性，其在一個(gè)太陽強(qiáng)度下的蒸汽轉(zhuǎn)化率達(dá)到了86%，高于大部分已報(bào)道的生物質(zhì)蒸發(fā)體。另外，玉米秸稈成本極低，每平方米僅需0.8美元，在規(guī)?；瘧?yīng)用中優(yōu)勢(shì)明顯。

【圖文解析】

圖1、玉米秸稈蒸發(fā)體的結(jié)構(gòu)和工作原理示意圖

圖2、玉米秸稈的表面形貌和微觀結(jié)構(gòu)

作者發(fā)現(xiàn)玉米秸稈具有良好的親水性和極低的熱導(dǎo)率，能夠在有效供水的同時(shí)保持良好的隔熱，是一種理想的太陽能界面蒸發(fā)體材料。作者首先對(duì)玉米秸稈進(jìn)行冷凍干燥來保留其內(nèi)部天然的孔隙結(jié)構(gòu)，然后對(duì)其表面進(jìn)行火焰-快速淬火碳化處理，形成雙層蒸發(fā)體。通過掃描電鏡可以看出，玉米秸稈內(nèi)部主要包括管束組織和管胞組織。管束是沿著生長方向縱向連通的，以大量篩管環(huán)繞中間粗壯脈管結(jié)構(gòu)組成，這種微納通道可以通過毛細(xì)作用向上輸水。同時(shí)，篩管與脈管之間的壁面上存在大量的微孔，該結(jié)構(gòu)可以促進(jìn)水分的橫向擴(kuò)散。管胞是一種封閉的微腔室，其冷凍干燥后會(huì)充滿空氣，從而使其具有良好的隔熱性。

圖3、玉米秸稈表面碳化前后紅外光譜和光電子能譜分析

傅里葉變換紅外光譜分析發(fā)現(xiàn)，干燥秸稈和火焰秸稈表面均含有大量以C-O、C=O、O-H為主的親水基團(tuán)，使該材料表面具有良好的親水性。通過光電子能譜表面分析發(fā)現(xiàn)，玉米秸稈主要由C、N、O元素組成，其表面經(jīng)火焰淬火碳化處理后，一部分C-O被氧化為C=O，由此形成的碳化表面仍保持了良好的親水性。

圖4、玉米秸稈的光吸收率、熱導(dǎo)率及水輸運(yùn)能力

經(jīng)表面碳化處理的秸稈蒸發(fā)體對(duì)AM 1.5標(biāo)準(zhǔn)太陽光全譜（300-2500 nm）實(shí)現(xiàn)了91%的吸收。該秸稈蒸發(fā)體在干燥狀態(tài)下的有效熱導(dǎo)率為0.042 W m-1·K-1，濕潤狀態(tài)下的有效熱導(dǎo)率為0.118 W m-1·K-1，低于當(dāng)前所報(bào)道的大多數(shù)生物質(zhì)材料，甚至接近商用隔熱材料(聚乙烯泡沫的熱導(dǎo)率為0.04 W m?1K?1)。另外，研究發(fā)現(xiàn)該玉米秸稈蒸發(fā)體表面具有超親水特性，而且其內(nèi)部能夠快速、連續(xù)的進(jìn)行毛細(xì)輸水。

圖5、玉米秸稈蒸發(fā)體的蒸發(fā)性能

在一個(gè)太陽光照強(qiáng)度下，玉米秸稈蒸發(fā)體的蒸發(fā)性能在在連續(xù)照射500 s后的蒸發(fā)性能趨于穩(wěn)定，表面溫升23oC，展現(xiàn)出了超快的光熱轉(zhuǎn)換性能。同時(shí)，該玉米秸稈蒸發(fā)體在一個(gè)太陽光照下的蒸發(fā)速率達(dá)到了1.497 kg m?2h?1，蒸汽轉(zhuǎn)化效率達(dá)到了86%，超過了當(dāng)前報(bào)道的大部分生物質(zhì)蒸發(fā)體。另外，多次循環(huán)蒸發(fā)實(shí)驗(yàn)證明該蒸發(fā)體具有很好的穩(wěn)定性。

【總結(jié)】

玉米秸稈內(nèi)部的復(fù)雜多孔結(jié)構(gòu)使其能夠在有效供水的同時(shí)保持良好隔熱，從而解決了蒸發(fā)體向蒸發(fā)表面連續(xù)供液和有效隔熱之間的矛盾，實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定、高效的太陽能界面蒸發(fā)。另外，玉米秸稈蒸發(fā)體成本極低、制備工藝簡(jiǎn)單，促進(jìn)了太陽能界面蒸發(fā)的規(guī)?；瘧?yīng)用，推動(dòng)了太陽能海水淡化技術(shù)的發(fā)展。

Haotian Zhang, Lin Li*, Bo Jiang,Qian Zhang, Jing Ma, DaweiTang*, and Yongchen Song, Highly Thermally Insulated and Superhyhilic Corn Straw for Efficient Solar Vapor Generation,ACS Appl. Mater. Interfaces,2020, DOI:10.1021/acsami.0c01585

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