玉米秸秆蒸发体用于太阳能海水淡化
【摘要】大连理工大学极端条件热物理与能源系统团队的李林副教授和唐大伟教授利用玉米秸秆开发了一种高效、低成本的蒸发体用于太阳能海水淡化。玉米秸秆不仅是一种低成本的农业废弃物，它还具有孔隙发达、密度低等特点。其内部具有复杂的多孔结构，可以在高效输水的同时保持良好的隔热。这些特点使该蒸发体在一个太阳强度下的蒸汽转化率达到了86%，蒸发速率达到了1.497 kg m-2h-1。该研究成果以Highly Thermally Insulated and Superhyhilic Corn Straw forEfficient Solar Vapor Generation为题，发表于ACS Appl. Mater.Interfaces，论文第一作者为博士生张昊天。
【背景介绍】
太阳能界面蒸发是一种新型太阳能海水淡化方式。它通过将一种具有多孔结构的蒸发体漂浮于水面上，在水-空气界面处进行光热转换形成局部热区，同时蒸发体的内部多孔结构通过毛细作用向顶部热区连续供水，从而引起蒸发。该技术由于具有热损小、系统简单、成本低等优点而极具前景。高效的蒸发体需要在顶部蒸发表面聚集热量，同时向该区域连续供液，这就要求其能够在保持良好隔热的同时高效输水。然而，普通的多孔介质在饱和液相状态下的热导率会大幅增加，增大了热量向下方水体的散失，使其蒸发性能受限。另外，当前报道的大部分蒸发体（例如：石墨烯泡沫、贵金属修饰的碳海绵、水凝胶等）还存在着制备工艺复杂、成本昂贵等问题。
【本文亮点】
针对以上问题，作者以玉米秸秆这一农业废弃物为原材料，通过一步表面碳化处理，制备出了一种低成本、易合成的生物质蒸发体。玉米秸秆内部具有复杂的多孔结构，包括相互连通的管束、封闭的管胞、微孔、纳米孔等，而且管胞环绕管束形成了阵列结构。由此构建的蒸发体不仅可以通过管束、微孔进行输水，而且还可以通过管胞进行隔热，从而实现在高效输水的同时有效隔热。玉米秸秆的有效热导率仅为0.042 W m-1K-1，与聚合物泡沫等商用隔热材料相当。另外，玉米秸秆的表面经碳化处理后，其太阳光谱吸收率达到了91%。由于玉米秸秆蒸发体优异的吸光性、亲水性和隔热性，其在一个太阳强度下的蒸汽转化率达到了86%，高于大部分已报道的生物质蒸发体。另外，玉米秸秆成本极低，每平方米仅需0.8美元，在规模化应用中优势明显。
【图文解析】
图1、玉米秸秆蒸发体的结构和工作原理示意图
图2、玉米秸秆的表面形貌和微观结构
作者发现玉米秸秆具有良好的亲水性和极低的热导率，能够在有效供水的同时保持良好的隔热，是一种理想的太阳能界面蒸发体材料。作者首先对玉米秸秆进行冷冻干燥来保留其内部天然的孔隙结构，然后对其表面进行火焰-快速淬火碳化处理，形成双层蒸发体。通过扫描电镜可以看出，玉米秸秆内部主要包括管束组织和管胞组织。管束是沿着生长方向纵向连通的，以大量筛管环绕中间粗壮脉管结构组成，这种微纳通道可以通过毛细作用向上输水。同时，筛管与脉管之间的壁面上存在大量的微孔，该结构可以促进水分的横向扩散。管胞是一种封闭的微腔室，其冷冻干燥后会充满空气，从而使其具有良好的隔热性。
图3、玉米秸秆表面碳化前后红外光谱和光电子能谱分析
傅里叶变换红外光谱分析发现，干燥秸秆和火焰秸秆表面均含有大量以C-O、C=O、O-H为主的亲水基团，使该材料表面具有良好的亲水性。通过光电子能谱表面分析发现，玉米秸秆主要由C、N、O元素组成，其表面经火焰淬火碳化处理后，一部分C-O被氧化为C=O，由此形成的碳化表面仍保持了良好的亲水性。
图4、玉米秸秆的光吸收率、热导率及水输运能力
经表面碳化处理的秸秆蒸发体对AM 1.5标准太阳光全谱（300-2500 nm）实现了91%的吸收。该秸秆蒸发体在干燥状态下的有效热导率为0.042 W m-1·K-1，湿润状态下的有效热导率为0.118 W m-1·K-1，低于当前所报道的大多数生物质材料，甚至接近商用隔热材料(聚乙烯泡沫的热导率为0.04 W m−1K−1)。另外，研究发现该玉米秸秆蒸发体表面具有超亲水特性，而且其内部能够快速、连续的进行毛细输水。
图5、玉米秸秆蒸发体的蒸发性能
在一个太阳光照强度下，玉米秸秆蒸发体的蒸发性能在在连续照射500 s后的蒸发性能趋于稳定，表面温升23oC，展现出了超快的光热转换性能。同时，该玉米秸秆蒸发体在一个太阳光照下的蒸发速率达到了1.497 kg m−2h−1，蒸汽转化效率达到了86%，超过了当前报道的大部分生物质蒸发体。另外，多次循环蒸发实验证明该蒸发体具有很好的稳定性。
【总结】
玉米秸秆内部的复杂多孔结构使其能够在有效供水的同时保持良好隔热，从而解决了蒸发体向蒸发表面连续供液和有效隔热之间的矛盾，实现了稳定、高效的太阳能界面蒸发。另外，玉米秸秆蒸发体成本极低、制备工艺简单，促进了太阳能界面蒸发的规模化应用，推动了太阳能海水淡化技术的发展。
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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