用于水净化的生物合成可持续分层太阳能蒸汽发生器

时间：2022-04-25 13:25:04 来源：

水对生命的生存至关重要。但是，缺水已成为现代社会的主要问题。如今，世界人口的五分之一生活在缺水地区，尤其是在没有电的地区。

对于这些地区的人们来说，获得干净的饮用水通常是一项艰巨的任务。因此，他们迫切需要一种高效，低成本，可持续和易于获得的技术和设备来产生清洁水。太阳能是地球上最丰富，分布最广泛的资源之一。太阳能净水技术简单有效，可以从不可饮用的水源（如湖水，污水或海水）中获得干净的饮用水。

今天，由中国科学技术大学（USTC）的俞树宏教授领导的团队报告了一种基于细菌纤维素（BC）纳米复合材料的高效且可持续的仿生分层太阳能蒸汽发生器（HSSG）。该HSSG是通过一步气雾辅助生物合成过程制造的。

设计的微生物合成过程已成功地与纳米材料的沉积相结合，并且简单，有效地构建了复杂的仿生层级结构。该HSSG的分层结构包含三个具有不同功能的连续层，包括碳纳米管/ BC的光吸收层，玻璃气泡/ BC的隔热层以及用于支撑和输水的木质基材。

在HSSG中，BC水凝胶的三维（3D）纤维素纳米纤维网络显着降低了将液态水转化为蒸汽并加速水汽化的能耗。由于分层结构设计和降低了HSSG纳米复合材料的蒸发焓，因此可以实现2.9 kg m-2 h-1的高蒸发速率和80％的太阳能转化效率。

在该HSSG中，分层结构的纳米复合材料在木质基材上生长，并通过纳米纤维的BC网络与木质基材紧密结合。BC纳米纤维与木材的纤维素交联，形成木材中的渗透层，这是木材与BC纳米复合材料层之间的牢固粘合剂。

这种结构确保了从木材到BC纳米复合材料层的快速水传输，并使它们牢固地附着在木材基材上，为隔热和水传输提供了结构基础。玻璃气泡是微型中空玻璃球，为隔热和水输送提供了结构基础。

在设备的顶部，碳纳米管和BC纳米复合材料层具有复杂的交错结构，其中碳纳米管和纤维素纳米纤维形成了纳米纤维的双重网络。在这种双网状结构中，碳纳米管起着高效的太阳光吸收剂的作用，而BC纳米纤维被用来输送水并减少蒸发的能量消耗。

木材，玻璃气泡/ BC和碳纳米管/ BC的这种多层结构旨在实现快速的水传输，热管理，有效的光吸收和减少的汽化能耗。此外，为了系统地研究蒸发速率，能量效率和蒸发能量消耗之间的关系，研究小组提供了一种新颖的二维图表，其中的指导线显示了不同的蒸发焓。这种理论分析方法显示出潜力，可以分析太阳能蒸汽发生器设备中不同功能部件对蒸发速率的贡献。

与其他太阳能净水技术相比，HSSG在蒸发率，能效，可持续性和成本方面具有巨大优势，使其成为未来净水的有前途的技术。

参考：“可持续的木基分层太阳能蒸汽发生器：减少水的蒸发焓的仿生设计”，关庆芳，韩子孟，凌章池，杨怀斌和余树宏，2020年7月8日，纳米快报。DOI：
10.1021 / acs.nanolett.0c01088

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