仿生-受樹啟發(fā)的高效水提取
瀏覽次數(shù)： 342 發(fā)布時間：2017-10-25 09:47:04 發(fā)布人：editor
近日，美國馬里蘭大學(xué)胡良兵教授和Siddhartha Das教授等利用天然木材制備了高性能太陽能蒸汽發(fā)生器件，并在Adv. Mater.上發(fā)表了題為“Tree-Inspired Design for High-Efficiency Water Extraction”的研究論文。原始、自然的木材沿管腔方向進(jìn)行可控表面碳化，從而構(gòu)建了一種獨(dú)特的雙層結(jié)構(gòu)。上層結(jié)構(gòu)負(fù)責(zé)光的捕獲，下層結(jié)構(gòu)是天然的水輸運(yùn)材料，兩層間實(shí)現(xiàn)了不破壞管腔微結(jié)構(gòu)的連接。上述受樹啟發(fā)的設(shè)計(jì)為高效水提取提供了獨(dú)特的優(yōu)勢，包括快速運(yùn)輸和蒸發(fā)水、表面碳化所致的較高光吸收(≈99%)、較低的熱導(dǎo)率(以避免熱損失)和低廉的成本。器件展現(xiàn)了獨(dú)特的地下水光熱提取能力，從海水中制備淡水也表現(xiàn)出很高的效率。受樹啟發(fā)的設(shè)計(jì)提供了一種廉價、可擴(kuò)展的太陽能收集和蒸汽產(chǎn)生技術(shù)，可以在全球很多地方提供清潔水資源，尤其是農(nóng)村或偏遠(yuǎn)地區(qū)。
圖1雙層木材作為廉價、可擴(kuò)展、高效的太陽能海水淡化材料的示意圖
a) 大樹將水從地面?zhèn)鬏數(shù)綐漤斠跃S持蒸騰作用的示意圖;
b) 受大樹啟發(fā)設(shè)計(jì)雙層木質(zhì)結(jié)構(gòu)插圖;
c) 雙層木提取不同環(huán)境的淡水：地下水(沙子或土壤中)和海水。
圖2 雙層木的制備、表征以及作為水提取材料的可行性
a) 雙層木簡單的制備過程;
b) 修長規(guī)整的木微孔道的SEM圖像;
c) 導(dǎo)管內(nèi)腔的高分辨SEM圖像;
d) 細(xì)胞壁細(xì)節(jié)處的SEM圖像;
e,f) 雙層木器件的吸水演示實(shí)驗(yàn);
g) 雙層木(4.5 cm×4.5 cm×2.9 cm)吸收水飽和前后的比重。
圖3 雙層木以地下水(濕砂)和海水為水源的光熱蒸發(fā)性能
a) 不同光強(qiáng)照射雙層木表面所產(chǎn)生蒸汽的照片;
b) 不同光強(qiáng)下光熱蒸發(fā)的動力學(xué);
c) 放置在濕砂上的雙層木地下水提取性能;
d) 雙層木地下水實(shí)驗(yàn)的增加因子;
e) 不同的光強(qiáng)下使用雙層木對地下水提取的光熱蒸發(fā)效率;
f) 放置在海水中的雙層木海水淡化性能;
g) 不同光強(qiáng)下雙層木海水淡化的增加因子;
h) 不同光強(qiáng)下雙層木的海水淡化效率。
圖4 用于太陽能蒸汽生成的雙層木獨(dú)特優(yōu)勢：光熱管理以及流體輸運(yùn)
a) 木材獨(dú)特的微觀結(jié)構(gòu)帶來的高效光捕獲、吸收和熱隔離功能示意圖;
b) 光與雙層木相互作用的光吸收、光穿透深度模擬;
c) 雙層木、無定形碳、天然木材的實(shí)驗(yàn)吸收光譜;
d) 不同光強(qiáng)下雙層木的溫度分布的紅外圖像;
e) 炭化表面的SEM圖像;
f) 基于e圖SEM圖像所得結(jié)構(gòu)參數(shù)的3D CAD模型;
g) 沿著木導(dǎo)管的不同截面水輸運(yùn)模擬結(jié)果。
圖5 雙層木用于實(shí)際水提取的穩(wěn)定性、可擴(kuò)展性和海水脫鹽效果
a) 雙層木光熱蒸發(fā)穩(wěn)定性;
b) 不同太陽強(qiáng)度下的雙層木蒸發(fā)循環(huán)性能;
c) 由較小的雙層木塊組裝成的22 cm×18 cm雙層木，展示了其可擴(kuò)展大小的能力;
d) 雙層木脫鹽前后海水中四種代表性基本離子濃度比較。
自然中豐富的和低成本(≈$1 m-2，遠(yuǎn)低于任何其他現(xiàn)有技術(shù))的雙層木提供了一種實(shí)用的太陽能光熱蒸發(fā)(從海水、沙灘和土壤)提取水的解決方案，能夠向偏遠(yuǎn)或?yàn)?zāi)區(qū)提供必需的清潔水。廉價、高效、受樹啟發(fā)的全木設(shè)計(jì)解決了限制太陽能收集和蒸汽產(chǎn)生大規(guī)模應(yīng)用的材料方面的問題。
論文鏈接：
http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201704107/full