科學網—新型泡沫蒸餾器可有效淨化汙水

2020-12-05 科學網
新型泡沫蒸餾器可有效淨化汙水
因造價低廉適用於貧困地區

 

科學家研製出一種新的太陽能蒸餾器。圖片來源：George Ni

本報訊 太陽能蒸餾器可以使受汙染的水或海水變得適合飲用。但如果想要產生涓涓細流，這種設備通常需要安裝昂貴的透鏡或其他設備。然而如今情況已大不相同。研究人員報告稱，他們研製出了一種用泡沫包裝和其他簡單材料構成的廉價太陽能蒸餾器。

人類使用太陽能蒸餾器已經有數千年的歷史。最基礎的版本是具有黑色底部（能夠吸收太陽光）的充滿水的容器，它能夠增加水的蒸發量。位於頂部的玻璃或其他透明材料能夠捕獲水蒸氣，隨後冷凝水滴入一個收集容器中。

為了加速上述過程，現代版本的太陽能蒸餾器則利用透鏡或鏡子收集了約100倍的光線。但這種太陽能集光器的成本很高，通常每平方米花銷約200美元，這使得很多人難以承受。

兩年前，由美國劍橋市麻省理工學院（MIT）機械工程師Gang Chen率領的一個研究團隊，研製出一種由漂浮在炭泡沫上的石墨層構成的高效太陽能吸收器。由於上下兩層是通透的，因此下面的水可以通過毛細作用到達石墨層，從而被陽光加熱。這套裝置能夠工作，但大部分的能量都在陽光下輻射掉了。如果要想使水沸騰，蒸餾器需要安裝附加裝置以集中10倍的周圍光線，從而克服紅外損失。

Chen和他的同事想要去掉這些附加裝置。研究人員將一個海綿狀的絕緣體漂浮在水面上。在當前的試驗中，他們利用薄薄一層商業太陽能熱水器中使用的藍色金屬和陶瓷複合材料取代了石墨太陽能吸收器。這種材料可以有選擇地吸收來自太陽的可見光和紫外線，但它不會以紅外線的方式輻射熱量。在這層材料與泡沫之間，研究人員放置了一薄片銅——這是一種極好的熱導體。他們最終像之前一樣在這個三明治般的東西上打滿了孔。

然而依然有一個難題沒有得到解決。複合材料吸收的大部分能量被對流一掃而空，熱量都損失在蒸餾器上表面上方的空氣中。而最終，Chen的16歲女兒——當時正在為參加一個科學展覽試驗而設計廉價溫室——想出了問題的解決辦法。她發現一個頂層的泡沫包裝能夠充當極佳的絕緣體。

Chen和他的學生George Ni最終將他們的太陽能蒸餾器用泡沫包裝包裹起來。並且在8月23日出版的《自然—能源》上，研究人員報告說，這套裝置能夠使水沸騰並且蒸餾水而沒有使用額外的太陽能集光器。Chen估計，在未來的某一天，他們將能夠利用這項技術製造出大面積的太陽能蒸餾器，而其成本僅為常規技術的1/20。

上海交通大學材料科學家Wen Shang和Tao Deng在伴隨這篇論文的評論中寫道：「這項工作無疑代表了向前邁出的關鍵一步。」例如，Chen相信，這種低成本的裝置將有助於在水力壓裂現場附近淨化汙水。通常情況下，參與工程的公司往往是從廢水池中蒸發水以集中和去除汙染物。一個便宜的太陽能海綿可以加快清理速度。

該裝置若要用於海水淡化或其他飲用水的應用程式，則需要在頂部安裝另一個塑料或玻璃層以收集水蒸氣。Chen說，這可以通過捕獲更多的熱量以及促進蒸發而增加系統的效率。

創建一套淨化系統是一個不小的工程。Chen估計20至40平方米的太陽能蒸餾器每天能夠提供50升水，這是聯合國提出的一個人日常生活所需的最小淡水量。（趙熙熙）

《中國科學報》 (2016-08-24 第2版 國際)

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