仿生-受樹啟發的高效水提取
瀏覽次數： 342 發布時間：2017-10-25 09:47:04 發布人：editor
近日，美國馬里蘭大學胡良兵教授和Siddhartha Das教授等利用天然木材制備了高性能太陽能蒸汽發生器件，并在Adv. Mater.上發表了題為“Tree-Inspired Design for High-Efficiency Water Extraction”的研究論文。原始、自然的木材沿管腔方向進行可控表面碳化，從而構建了一種獨特的雙層結構。上層結構負責光的捕獲，下層結構是天然的水輸運材料，兩層間實現了不破壞管腔微結構的連接。上述受樹啟發的設計為高效水提取提供了獨特的優勢，包括快速運輸和蒸發水、表面碳化所致的較高光吸收(≈99%)、較低的熱導率(以避免熱損失)和低廉的成本。器件展現了獨特的地下水光熱提取能力，從海水中制備淡水也表現出很高的效率。受樹啟發的設計提供了一種廉價、可擴展的太陽能收集和蒸汽產生技術，可以在全球很多地方提供清潔水資源，尤其是農村或偏遠地區。
圖1雙層木材作為廉價、可擴展、高效的太陽能海水淡化材料的示意圖
a) 大樹將水從地面傳輸到樹頂以維持蒸騰作用的示意圖;
b) 受大樹啟發設計雙層木質結構插圖;
c) 雙層木提取不同環境的淡水：地下水(沙子或土壤中)和海水。
圖2 雙層木的制備、表征以及作為水提取材料的可行性
a) 雙層木簡單的制備過程;
b) 修長規整的木微孔道的SEM圖像;
c) 導管內腔的高分辨SEM圖像;
d) 細胞壁細節處的SEM圖像;
e,f) 雙層木器件的吸水演示實驗;
g) 雙層木(4.5 cm×4.5 cm×2.9 cm)吸收水飽和前后的比重。
圖3 雙層木以地下水(濕砂)和海水為水源的光熱蒸發性能
a) 不同光強照射雙層木表面所產生蒸汽的照片;
b) 不同光強下光熱蒸發的動力學;
c) 放置在濕砂上的雙層木地下水提取性能;
d) 雙層木地下水實驗的增加因子;
e) 不同的光強下使用雙層木對地下水提取的光熱蒸發效率;
f) 放置在海水中的雙層木海水淡化性能;
g) 不同光強下雙層木海水淡化的增加因子;
h) 不同光強下雙層木的海水淡化效率。
圖4 用于太陽能蒸汽生成的雙層木獨特優勢：光熱管理以及流體輸運
a) 木材獨特的微觀結構帶來的高效光捕獲、吸收和熱隔離功能示意圖;
b) 光與雙層木相互作用的光吸收、光穿透深度模擬;
c) 雙層木、無定形碳、天然木材的實驗吸收光譜;
d) 不同光強下雙層木的溫度分布的紅外圖像;
e) 炭化表面的SEM圖像;
f) 基于e圖SEM圖像所得結構參數的3D CAD模型;
g) 沿著木導管的不同截面水輸運模擬結果。
圖5 雙層木用于實際水提取的穩定性、可擴展性和海水脫鹽效果
a) 雙層木光熱蒸發穩定性;
b) 不同太陽強度下的雙層木蒸發循環性能;
c) 由較小的雙層木塊組裝成的22 cm×18 cm雙層木，展示了其可擴展大小的能力;
d) 雙層木脫鹽前后海水中四種代表性基本離子濃度比較。
自然中豐富的和低成本(≈$1 m-2，遠低于任何其他現有技術)的雙層木提供了一種實用的太陽能光熱蒸發(從海水、沙灘和土壤)提取水的解決方案，能夠向偏遠或災區提供必需的清潔水。廉價、高效、受樹啟發的全木設計解決了限制太陽能收集和蒸汽產生大規模應用的材料方面的問題。
論文鏈接：
http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201704107/full