东北大学考研，东北大学考研分数线
界面太阳能蒸发作为收集太阳能和从污水和海水中生产淡水的一种简便有效的方法越来越受欢迎。然而，在众多性能指标之间实现平衡仍存在挑战，例如低成本、高蒸发效率、离网部署和尽可能少的环境影响。本研究中，我们通过将琼脂-一种天然丰富的海洋生物质与氮化钛纳米粒子相结合来制备水凝胶太阳能热蒸发器。由于氮化钛纳米粒子优异的光热转换效果，蒸发器的太阳能吸收率达到0.98。美国东北大学郑义教授课题组通过冰模板诱导的自组装方法制造处置排列的微孔道从而形成仿生木结构。其垂直孔道内部内的快速水运输和排盐、水凝胶分子网中的有效水活化以及有效的热定位使该水凝胶蒸发器在一个太阳的照射下实现了 5.15 kg m-2 h-1 的蒸发率（1 kW m-2）。其中以棉布为输水通道，以聚苯乙烯泡沫为热障材料的间接供水方式，能够有效地将热量集中在顶部很小蒸发区域内，从而确保了如此高的热蒸发速率。此外，该水凝胶蒸发器易于回收，经回收后并不会明显降低其蒸发性能，从而延长其使用寿命，从而具有长期使用后易于热回收的优点。我们验证了使用反复冻融的制造方法加工此水凝胶太阳能蒸发器对于可扩展部署是可行的。这项工作通过具有成本效益的原材料和可部署的太阳能海水淡化系统为工业实施提供了高质量淡水产量的新可能性。
研究内容
图 1. 太阳能海水淡化和蒸发器制造的示意图。(a) 太阳能海水淡化蒸发器的示意图。蒸发器吸收太阳辐射并漂浮在海面上以产生淡水。蒸发发生在蒸发器顶面，水势差将水泵送到顶部界面蒸发区。蒸发器的主要原料是琼脂，从海藻中提取，具有垂直排列的供水通道。(b) 具有垂直排列的光捕获通道的聚合物冷冻凝胶有效地吸收太阳能通量。这些通道同时用作抽水和排盐。低热导率的多孔结构将热量集中在水/空气界面的小区域中。(c) 实验装置的示意图。漂浮在水面上的聚苯乙烯泡沫用作热障层，以减少从蒸发器到大量盐水的散热。棉布用于向蒸发器供水并将盐分散到大量盐水中。蒸发器被聚乙烯泡沫包围，以防止蒸汽从侧壁扩散并将热量集中在蒸发器内。(d) 大面积琼脂/碳水凝胶蒸发器片的照片及其在曲面上应用的柔软度。(e) 蒸发器是通过冰模板诱导的自组装和冷冻干燥过程合成的。
图 2. 蒸发器的自组装制造和表征。(a) 蒸发器在干燥和完全膨胀状态下的照片。(b) 蒸发器和琼脂壁多孔结构的俯视SEM图像。(c) 蒸发器的横截面阐明了用于水运输和粗糙表面的垂直通道，其中 TiN 纳米颗粒嵌入琼脂壁。方形虚线圆圈是水道。(d) SEM 图像说明TiN 纳米粒子的表面形貌。(e) 纯琼脂、TiN 和 蒸发器的 FTIR 和 (f) XRD 光谱。
图 3. 蒸发器的可调吸水和热管理。(a) 纯琼脂和蒸发器在 AM 1.5 光谱辐照度 (ASTM G173) 下的太阳能吸收率。(b) 蒸发器与角度相关的平均太阳能吸收率。(c) 蒸发器的动态水接触角测量。比例尺为 3 毫米。(d) 蒸发器的快速吸水行为，由高速相机以 2997 FPS 的速率记录。(e) 蒸发器s 的溶胀行为和饱和含水量。(f) 蒸发器在干燥和完全膨胀状态下的热导率。(g) 大量水、棉布上的纯琼脂、直接与水接触的蒸发器以及供水棉布上的蒸发器的温度变化。(h) 和 (i) 热图像阐明了蒸发器的温度分布，光照时间为 0、10、30 和 60 分钟（白色十字表示蒸发器的中心）。(h)：蒸发器直接与大量水接触；(i)：蒸发器放在带有聚苯乙烯泡沫作为热绝缘体的棉布上。比例尺为 2 cm。
图 4. 蒸发器的太阳能海水淡化评估。(a) 纯水的质量变化，与水直接接触的蒸发器，以及在阳光下作为供水路径的蒸发器用棉布擦拭。(b) 纯水、纯琼脂和蒸发器在一个太阳下的质量变化。(c) 蒸发器在不同太阳强度下的蒸发率。(d) 在黑暗环境中水的蒸发率和计算出的蒸发器的等效焓。(e) 使用不同盐度的纯水和 NaCl 溶液对 蒸发器的质量变化。(f) 蒸发器连续 15 小时稳定性测试（1 个循环为 1 小时）。
图 5. 蒸发器的脱盐率、可回收性和可扩展制造。(a) 蒸发器的盐分排斥实验，在一个阳光下初始存在 1 g 盐。比例尺为 2 cm。(b) 海水淡化前后的盐度。(c) 原始 蒸发器、回收的蒸发器和通过重复冻融过程制造的蒸发器的蒸发率。(d) 原始和回收的蒸发器的 FTIR 光谱。(e) 蒸发器浸入3.5 wt% NaCl 溶液 30 天的长期蒸发率。(f) 蒸发器与其他先前报道的设备之间的水蒸发率比较。
论文信息：
Yanpei Tian, Xiaojie Liu, Shilin Xu, Jiansheng Li, Andrew Caratenuto, Ying Mu, Ziqi Wang, Fangqi Chen, Ruizhe Yang, Jun Liu, Marilyn L. Minus, and Yi Zheng, “Recyclable and efficient ocean biomass-derived hydrogel photothermal evaporator for thermally-localized solar desalination”, Desalination, 10.1016/j.desal.2021.115449。
论文链接：
https://doi.org/10.1016/j.desal.2021.115449
来源：高分子科学前沿
声明：仅代表作者个人观点，作者水平有限，如有不科学之处，请在下方留言指正！
东北大学考研(东北大学考研分数线)