东北林大孙壮志课题组与香港城大王钻开教授、ECU张来昌教授JMCA：玉米秸秆制造高效太阳能蒸发器用于海水淡化

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众所周知，水资源与能源匮乏成为全球面临的严峻挑战。针对地表存在广袤的海水资源，使用太阳能天然能源实现对海水蒸发实现淡化方法即界面光热原理的太阳能海水蒸发淡化方法是获取清洁淡水资源的一条崭新出路。

最近，随着太阳能界面蒸发海水淡化技术的发展，通过改善各类光吸收体光热吸收能力从而达到提升蒸发效率获得深入研究，推动了太阳能海水淡化技术的发展。然而，高效界面光热的太阳能蒸发器需要包含宽频的光吸收、热量转换、水分传导及水分蒸发四个关键因素，过去的研究默认了水分传导能够满足光热转换的需要，研究集中于光热转换效率提升太阳能蒸发器的蒸发效率，水分传导特性对提升界面水分蒸发效率问题往往被学者们忽略。因此，水分传导特性对界面水分蒸发效率提升至关重要，有待于深入研究。

自然界中生物有机体（树木、蘑菇等）具有天然水分蒸腾通道，这些通道内部微纳多孔结构决定其具有不同毛细水分传导能力。玉米秸秆是一种高产的禾本科植物，茎髓饱满柔软类似海绵，由疏松排列的多孔基础组织以及分散有不同孔径的线性维管束组成，这种微孔结构组成使玉米秸秆相对于其他有机体在水分传导速度方面体现出绝对优势。

近日，东北林业大学的孙壮志副教授课题组与香港城市大学王钻开教授、澳大利亚埃迪斯科文大学张来昌教授合作报道了一种以高速毛细水分传导的玉米秸秆茎髓为研究对象，通过涂覆多壁碳纳米管与二氧化钛光热涂层制造了一种廉价玉米秸秆基的太阳能蒸发器，具有高速毛细管水分传递与清洁多孔基本组织过滤特性，能够实现高效的太阳能海水蒸发淡化，如图1~图2所示。

图1玉米秸秆制备太阳能蒸发器的结构示意与蒸发原理

图2玉米秸秆的茎髓的微观结构与表面光热涂层微观结构

相比于其他生物有机体（特别是木材等），这种太阳能蒸发器具有超快速的毛细管水输送、多层海盐自清洁、大容量海水储纳、长期耐海水腐蚀、较低的热导性及优异水分蒸发性能，1.5 s能够实现径向长度1 mm的玉米秸秆的100 %的表面水分吸附（水分传导速度快于对比组的相同尺寸巴沙木的10倍），且一个光照强度下使用常规光热涂层的最高水分蒸发比达2.48 kg m^-2 h^-1（显著优于以报道过的生物有机体的水分蒸发比）。这些优势显着归因于玉米秸秆骨髓的自然结构特征，包括超亲水特性的分散维管束可实现水的高速水分输送，以及具有层层生物过滤且多孔腔体的基础组织可实现淡水的多级过滤、海水的运输和存储、较低的水分焓值和热量损失，如图3~图5所示。

图3 木材与秸秆在水分传导特性对比图

图4 不同涂层的玉米秸秆表面光热转换特性

图5 水分蒸发特性、抗腐蚀特性、海水渗透特性

此外，课题设计了一种低成本捆绑式玉米秸秆基太阳能海水淡化淡水收集装置，如图6所示，通过对收集淡水水质中阳离子与阴离子基团测试，满足世界卫生组织（WHO）淡水饮用标准，每单位面积的平均淡水产量为4.3~5.8 kg m^-2（晴天）与3.0~3.9 kg m^-2（阴天），能满足多名成年人日常饮用淡水需求（WHO标准：200 mL/人）。该工作提出了一种将玉米秸秆用做廉价、稳定且高效的光热转换器件应用于海水淡化实现变废为宝的可能性，也为秸秆焚烧带来的温室效应提供解决思路，促进生物质资源的高效利用。

图6 太阳能海水蒸发淡化收集装置及淡水收集特性

上述成果以《High-efficiency Solar Desalination Evaporator Composite of Corn Stalk, Mcnt and TiO₂: Ultra-fast Capillary Water Moisture Transportation and Porous Bio-tissues Multi-layers Filtration》为题发表在Journal of Materials Chemistry A (JMCA, 2019,  DOI: 10.1039/C9TA10898J)上，论文的第一作者为东北林业大学孙壮志副教授，香港城市大学王钻开教授及埃迪斯科文大学张来昌教授为共同通信作者，东北林业大学为第一完成单位，该研究已获得国家自然基金项目(51905085)与中国博士后特别资助项目(2019T120245)的资助。

论文链接：

https://pubs.rsc.org/en/content/articlehtml/2019/ta/c9ta10898j

【作者简介】

孙壮志，副教授、博士生导师，现任职于东北林业大学机电工程学院，研究兴趣：仿生制造、智能材料（柔性驱动与传感）、纳米发电与收集等。

【参考文献】

1. Sun Zhuangzhi, Li Zhaoxin, Li Wenzong, Bian Fuguo. Mesoporous cellulose/TiO2/SiO2 /TiN-based nanocomposite hydrogels for efficient solar steam evaporation: low thermal conductivity and high light-heat conversion. Cellulose, doi: 10.1007/s10570-019-02823-0 (2019).

(https://link.springer.com/article/10.1007/s10570-019-02823-0)

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