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  眾所周知，水資源與能源匱乏成為全球面臨的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。針對地表存在廣袤的海水資源，使用太陽能天然能源實現(xiàn)對海水蒸發(fā)實現(xiàn)淡化方法即界面光熱原理的太陽能海水蒸發(fā)淡化方法是獲取清潔淡水資源的一條嶄新出路。

  最近，隨著太陽能界面蒸發(fā)海水淡化技術(shù)的發(fā)展，通過改善各類光吸收體光熱吸收能力從而達(dá)到提升蒸發(fā)效率獲得深入研究，推動了太陽能海水淡化技術(shù)的發(fā)展。然而，高效界面光熱的太陽能蒸發(fā)器需要包含寬頻的光吸收、熱量轉(zhuǎn)換、水分傳導(dǎo)及水分蒸發(fā)四個關(guān)鍵因素，過去的研究默認(rèn)了水分傳導(dǎo)能夠滿足光熱轉(zhuǎn)換的需要，研究集中于光熱轉(zhuǎn)換效率提升太陽能蒸發(fā)器的蒸發(fā)效率，水分傳導(dǎo)特性對提升界面水分蒸發(fā)效率問題往往被學(xué)者們忽略。因此，水分傳導(dǎo)特性對界面水分蒸發(fā)效率提升至關(guān)重要，有待于深入研究。

  自然界中生物有機(jī)體（樹木、蘑菇等）具有天然水分蒸騰通道，這些通道內(nèi)部微納多孔結(jié)構(gòu)決定其具有不同毛細(xì)水分傳導(dǎo)能力。玉米秸稈是一種高產(chǎn)的禾本科植物，莖髓飽滿柔軟類似海綿，由疏松排列的多孔基礎(chǔ)組織以及分散有不同孔徑的線性維管束組成，這種微孔結(jié)構(gòu)組成使玉米秸稈相對于其他有機(jī)體在水分傳導(dǎo)速度方面體現(xiàn)出絕對優(yōu)勢。

  近日，東北林業(yè)大學(xué)的孫壯志副教授課題組與香港城市大學(xué)王鉆開教授、澳大利亞埃迪斯科文大學(xué)張來昌教授合作報道了一種以高速毛細(xì)水分傳導(dǎo)的玉米秸稈莖髓為研究對象，通過涂覆多壁碳納米管與二氧化鈦光熱涂層制造了一種廉價玉米秸稈基的太陽能蒸發(fā)器，具有高速毛細(xì)管水分傳遞與清潔多孔基本組織過濾特性，能夠?qū)崿F(xiàn)高效的太陽能海水蒸發(fā)淡化，如圖1~圖2所示。

圖1玉米秸稈制備太陽能蒸發(fā)器的結(jié)構(gòu)示意與蒸發(fā)原理

圖2玉米秸稈的莖髓的微觀結(jié)構(gòu)與表面光熱涂層微觀結(jié)構(gòu)

  相比于其他生物有機(jī)體（特別是木材等），這種太陽能蒸發(fā)器具有超快速的毛細(xì)管水輸送、多層海鹽自清潔、大容量海水儲納、長期耐海水腐蝕、較低的熱導(dǎo)性及優(yōu)異水分蒸發(fā)性能，1.5 s能夠?qū)崿F(xiàn)徑向長度1 mm的玉米秸稈的100 %的表面水分吸附（水分傳導(dǎo)速度快于對比組的相同尺寸巴沙木的10倍），且一個光照強(qiáng)度下使用常規(guī)光熱涂層的最高水分蒸發(fā)比達(dá)2.48 kg m^-2 h^-1（顯著優(yōu)于以報道過的生物有機(jī)體的水分蒸發(fā)比）。這些優(yōu)勢顯著歸因于玉米秸稈骨髓的自然結(jié)構(gòu)特征，包括超親水特性的分散維管束可實現(xiàn)水的高速水分輸送，以及具有層層生物過濾且多孔腔體的基礎(chǔ)組織可實現(xiàn)淡水的多級過濾、海水的運輸和存儲、較低的水分焓值和熱量損失，如圖3~圖5所示。

圖3 木材與秸稈在水分傳導(dǎo)特性對比圖

圖4 不同涂層的玉米秸稈表面光熱轉(zhuǎn)換特性

圖5 水分蒸發(fā)特性、抗腐蝕特性、海水滲透特性

  此外，課題設(shè)計了一種低成本捆綁式玉米秸稈基太陽能海水淡化淡水收集裝置，如圖6所示，通過對收集淡水水質(zhì)中陽離子與陰離子基團(tuán)測試，滿足世界衛(wèi)生組織（WHO）淡水飲用標(biāo)準(zhǔn)，每單位面積的平均淡水產(chǎn)量為4.3~5.8 kg m^-2（晴天）與3.0~3.9 kg m^-2（陰天），能滿足多名成年人日常飲用淡水需求（WHO標(biāo)準(zhǔn)：200 mL/人）。該工作提出了一種將玉米秸稈用做廉價、穩(wěn)定且高效的光熱轉(zhuǎn)換器件應(yīng)用于海水淡化實現(xiàn)變廢為寶的可能性，也為秸稈焚燒帶來的溫室效應(yīng)提供解決思路，促進(jìn)生物質(zhì)資源的高效利用。

圖6 太陽能海水蒸發(fā)淡化收集裝置及淡水收集特性

  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》為題發(fā)表在Journal of Materials Chemistry A (JMCA, 2019,  DOI: 10.1039/C9TA10898J)上，論文的第一作者為東北林業(yè)大學(xué)孫壯志副教授，香港城市大學(xué)王鉆開教授及埃迪斯科文大學(xué)張來昌教授為共同通信作者，東北林業(yè)大學(xué)為第一完成單位，該研究已獲得國家自然基金項目(51905085)與中國博士后特別資助項目(2019T120245)的資助。

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

【作者簡介】

孫壯志，副教授、博士生導(dǎo)師，現(xiàn)任職于東北林業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，研究興趣：仿生制造、智能材料（柔性驅(qū)動與傳感）、納米發(fā)電與收集等。

【參考文獻(xiàn)】

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)