鄧紅兵課題組太陽能海水淡化納米纖維研究獲突破

2020-08-06 武漢微新聞

新聞網訊（通訊員徐鵬）國際著名期刊Advanced Materials（《先進材料》 影響因子：27.398）近期發表我校資源與環境科學學院鄧紅兵教授課題組與東華大學丁彬教授課題組在耐鹽太陽能海水淡化納米纖維氣凝膠領域的最新合作成果。

論文題為「Cellular Structured CNTs@SiO2 Nanofibrous Aerogels with Vertically Aligned Vessels for Salt‐Resistant Solar Desalination」（《具有垂直排列管道的蜂窩狀CNTs @ SiO2納米纖維氣凝膠用於耐鹽的太陽能海水淡化》）。

武漢大學2019級博士研究生董向陽和東華大學博士研究生曹雷濤為並列第一作者，武漢大學為第一作者單位，鄧紅兵與丁彬為共同通訊作者。該課題得到國家自然科學基金、湖北省自然科學基金創新群體的資助和支持。

水資源與水安全一直是國際資源環境領域的前沿和熱點。目前國際上約有20億人缺乏安全可靠的淡水供應設施。為了確保足夠的淡水供應，太陽能海水淡化技術近年來受到廣泛關注。但在海水淡化過程中，蒸發器表面的鹽會隨著蒸發而增加。由於大多數蒸發器對鹽的耐受能力不佳，很難將鹽分從蒸發界面移除，最終導致鹽在蒸發界面結晶。鹽晶體的出現會降低吸光度並阻塞水分運輸通道，從而降低蒸發速率甚至損壞蒸發器。

針對上述問題，鄧紅兵和丁彬合作基於以下原則設計了一種耐鹽的納米纖維太陽能蒸發器：一是蒸發器應具有高效的光吸收能力，以將儘可能多的太陽能轉化為熱量；二是通過自組裝過程調控，納米纖維高度模擬生物質纖維的孔道結構和多孔管道壁，並在此基礎上構建垂直排列的管道，以高效運輸水分和鹽；三是蒸發器必須具有足夠的機械強度和化學穩定性，以確保長期有效的蒸發性能。

鄧紅兵課題組太陽能海水淡化納米纖維研究獲突破

a是常規太陽能蒸發器中的水運輸，光吸收，蒸發和鹽結晶的示意圖。b是納米纖維（CNFAs）氣凝膠中的鹽運輸，水運輸，光吸收和蒸發的示意圖。

為了滿足前兩個要求，利用纖維冷凍成型方法，將納米纖維組裝成具有垂直排列的管道的氣凝膠，以實現高效的鹽、水運輸；通過將碳納米管（CNT）沉積在管道壁上，以通過管道中光的多次散射和吸收來實現高效的光吸收。為了滿足機械強度和化學穩定性的要求，選擇了柔性的靜電紡SiO2納米纖維作為蒸發器的結構元件。

鄧紅兵課題組太陽能海水淡化納米纖維研究獲突破

a是CNFAs的製備和結構示意圖。b至d為CNFAs在不同放大倍數下的微觀多孔結構。e是具有高吸光度的CNFAs。f是CNFAs在水中的壓縮和回彈。g是從CNFAs表面產生的蒸氣。

該蒸發器能夠吸收98%的太陽光，在1個太陽的光照下（1 kW m-2）能夠以1.50 kg m-2 h-1的速率產生蒸汽，即使在20%的鹽水中接受6個太陽的持續照射（6 kW m-2）也不產生鹽。此外，蒸發器還展現出了其優異的機械強度和化學穩定性，能經受反覆的壓縮、長時間的超聲和酸鹼處理，產生的淡水也完全滿足WHO的飲用水標準，受重金屬、有機染料、抗生素汙染的廢水和海水中的有害成分幾乎完全被去除。

在以往的報導中，蒸發器通常具有疏水性頂層和親水性底層。疏水層通過防止鹽水到達材料表面來防止鹽在材料表面上結晶。與上述防止鹽分到達的方法不同，該研究採用將鹽分運走的策略。CNFAs的關鍵結構特徵是由SiO2納米纖維框架構成的親水性垂直排列的管道。垂直對齊的管道連接蒸發界面和底層水，從而確保了鹽通過擴散和對流沿著最短路徑從鹽濃度高的蒸發界面傳輸到鹽濃度低的底層水。與傳統的太陽能蒸發器的纏繞路徑相比，垂直排列的管道將極大地促進鹽從蒸發表面向大量水的傳輸。

論文連結：https://doi.org/10.1002/adma.201908269

（編輯：陳麗霞、相茹）

【來源：資源與環境科學學院】

版權歸原作者所有，向原創致敬

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