被动式太阳能蒸馏用于高浓度盐溶液的水、盐收集

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由于人口增长和气候变化,淡水资源短缺正在成为全球范围内的一个重大问题。在众多应对水资源短缺的潜在方法中,海水淡化显示出巨大的前景。与传统的海水淡化技术相比,太阳能海水淡化技不需要以消耗化石燃料为代价,具有清洁、绿色可持续等优点,引起人们广泛关注。然而,当前报道的光热水蒸发器的研究主要集中在开发高效的吸光材料以提高光热转换能力实现蒸汽的快速产生,尚不能实现对高浓度盐水的稳定处理。由于高浓度盐水会在受热蒸发过程中析出大量的盐结晶,它们会附着在蒸发器表面从而堵塞其孔道结构,使得蒸发器的蒸发效果大大降低,所以报道过的光热水蒸发器难以真正的实现商业化应用。因此,理想的水蒸发器需要防止盐堵塞的产生,实现长效稳定的使用。此外,大量研究表明具有多级结构的蒸发器可以充分的利用水蒸发潜热,实现高效的水收集率。本论文的主要研究内容如下:(1)人造无纺布具有丰富的纤维结构,可通过毛细作用力为顶部快速供水,为开发新型水蒸发器提供思路。受虹吸现象的启发,我们通过调节毛细边缘与进料端水平面的高度,诱导盐在毛细边缘结晶,从而防止水蒸发器被盐堵塞,并实现盐的回收利用。在60℃的热源下,优化后的水蒸发器在处理70 g L-1的盐水时可实现1.33 kg m-2h-1的淡水收集速率;对人工模拟盐水有效淡化,可以实现离子浓度近4个数量级的降低。此类蒸发器具有制备工艺简单、低成本、绿色环保等优点,有望作为一种便捷手段获取清洁水。(2)我们将多级水蒸发装置装载于光伏电池板背面,制备了一种被动式多级水蒸馏器。太阳能通过商用光伏电池板转化为电能和热能,废热随后驱动被动式多级蒸馏器。该蒸馏器实现了光伏-热综合利用系统的电、水、盐同时收集,并具有长期稳定性。在一个太阳光下,五级蒸馏器处理170 g L-1的高浓度氯化钠(Na Cl)溶液时,产水量约为1.17 kg m-2 h-1,电输出功率为97 W m-2,集盐量为1.02 kg m-2 d-1。该技术可以充分利用太阳能来长期稳定的淡化高盐度海水,在缓解水能关系方面有远大的前景。
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