【儀表網 研發快訊】清潔水是人類生存和社會發展的重要資源。隨著近幾十年人口增長、城市化和工業化的快速發展，緩慢的自然水再生過程已無法滿足日益增長的清潔水資源需求。然而，97%以上的天然水資源是海水和苦咸水，由于鹽度高，無法直接利用。因此，迫切需要高效、大規模的海水淡化技術。在傳統的海水淡化技術中，以多級閃蒸和多效蒸餾為代表的熱海水淡化能耗較高(例如，每立方米淡水消耗10—15 kWh的電力)，而以反滲透為代表的膜海水淡化能耗可降低至5 kWh m−3 ，但面臨膜污染問題，需要定期維護和更換，增加了處理成本。同時，這些技術對化石燃料和電力的依賴加劇了當前的全球能源危機。因此，開發低能耗和可再生的水凈化生產方法至關重要。基于此，太陽能驅動界面蒸發(SIE)技術是太陽能熱能利用的方法，因其高效的光熱轉換效率、環境友好、成本低、作簡單等特點，已成為海水淡化和廢水凈化的研究熱點。光熱材料是SIE技術的核心，目前的材料包括聚合物、碳基材料、半導體和等離子體金屬。然而，由這些材料制成的蒸發器通常達到低于 1.47 kg m−2 h−1的理論蒸發速率在1個太陽照射下。此外，廢水通常鹽度很高，由于供水不足和蒸汽產生快速，蒸發器可能會在其表面和輸水通道內出現鹽結晶。這些鹽晶體不可避免地會增加光反射率并阻塞水的傳輸通道，導致蒸發速率降低和蒸發器壽命縮短。此外，SIE對陽光的依賴性很強，在陰天或冬季等低光照強度和溫度條件下，其性能會顯著下降甚至停止，限制了其大規模應用。
針對此挑戰性問題，中國科學院新疆理化技術研究所科研團隊通過將PDA、CNTs和PPY依次加載到玄武巖織物上，構建了具有優異光熱性能PPY-CNTs-PDA@BF蒸發器，采用SSM 304電熱層，用于全天候高效苦咸水淡化。在模擬陽光(1 sun)和實驗室1.5 V下，實際苦咸水蒸發速率可達4.43 kg m−2h−1；在真實陽光和室外1.5V下，蒸發速率可達6.37 kg m−2h−1.此外，由于設計精良的多層結構，具有Janus親水梯度分布，蒸發器表現出優異的耐鹽性和長期穩定性，將白天蒸發速率保持在2.17 kg m−2h−1以上，在沒有任何干預的情況下連續運行 120 小時。純凈水符合世界衛生組織制定的飲用水標準，離子濃度和化學需氧量顯著降低。這項研究為高效和可持續的微咸水凈化提供了一種有前途的方法，為缺水地區提供了潛在的應用。
相關研究成果近期發表在國際期刊Separation and Purification Technology上，新疆理化所是第一完成單位，碩士研究生何溁林和陳卓為共同第一作者，阿卜杜克熱木·喀迪爾研究員和馬鵬程研究員為共同通訊作者。該研究得到了新疆維吾爾自治區自然科學基金、國家外國青年人才計劃項目(科技部外國專家服務司)、中國科學院“西部之光”項目等項目的資助。
圖1.PPY-CNTs-PDA@BF光電熱界面蒸發系統的實際應用方案示意圖。
圖2. PPY-CNTs-PDA@BF室外蒸發性能(A：室外太陽能界面蒸發裝置示意圖; B：白天太陽輻照度和環境溫度; C：PPY-CNTs-PDA@BF在一天中不同時間的蒸發速率)。
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