作者:刘哲郡等 来源:《全球挑战》 发布时间:2017/2/7 14:59:31
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高效低价太阳能蒸馏器有望解决饮用水短缺问题

 

全球淡水资源的枯竭和可饮用纯净水卫生处理设备的缺乏是全人类面对的严峻挑战之一。有预测显示,到2025年,世界上超过半数的国家将面临淡水资源紧张的严峻形势。而到2050年,世界上75%的人口将面临水资源短缺的困境。基于反渗透膜的污水净化和海水淡化装置是目前的主流解决方案。但其昂贵的制造和运行成本及高能耗导致的环境污染限制了这一技术的广泛应用。因此,开发用于消毒和净化水资源并能满足经济和可持续发展要求的技术势在必行。这类技术对于低成本、低能耗和环保等方面都有更高的要求。为了满足这一需求,开发廉价、便携且不需要额外电能输入的太阳能蒸馏器近年来引起了世界各国研究人员的持续关注。

最近美国纽约州立大学布法罗分校与复旦大学和威斯康辛大学麦迪逊分校合作组的一项研究报道了一种高效廉价太阳能蒸馏器。通过收集太阳能实现污水净化及蒸馏,产水效率达到了目前商用设备的2.4倍。其原材料成本更是低于每平方米2美元。该研究主要合作者之一,复旦大学刘哲郡博士告诉我们,“该技术对于小型社区来说非常理想,能够帮助人们制取满足个人饮水需求的纯净水,就像通过屋顶的太阳能电池板发电满足个人日常用电需求一样方便。”刘哲郡博士受国家留学基金委资助,于美国纽约州立大学布法罗分校做访问学者期间完成了此项研究,成果近期发表于《Global Challenge》期刊上。

太阳能蒸馏器的开发历史久远,大多数太阳能蒸馏器由盛满水的黑底容器组成,顶部盖以透明玻璃或塑料并密封。被黑色材料吸收的太阳光使水蒸发加速,蒸馏水在透明顶盖凝结滑落,最终由管道流出收集用于饮用。在此过程中,水中的盐、细菌及大多数污染物不会随水蒸发。然而,在这种设计下,大部分太阳光能量消耗在缓慢加热整个容器的水体过程中。即使是性能最好的蒸馏器也至少需要约6平方米的大小,以生产足够一个人一天所需的纯净水量。

近年来,研究人员使用两种方法改进了太阳能蒸馏器。首先,重新设计蒸馏器的结构,使得只有容器中最顶层的水面被加热和蒸发,这意味着更少的能量损失。其次,利用纳米材料来吸收更多的太阳光。但是用于有效光吸收的纳米材料成本高达每克数百美元,这限制了其在技术条件不足且缺水的发展中国家的广泛应用。

美国纽约州立大学布法罗分校电子工程系的甘巧强教授带领的研究小组和他的合作者们(中国复旦大学的江素华教授和美国威斯康辛麦迪逊大学的喻宗夫教授)关注了这一问题。

他们的新装置由三个主要部件组成:首先,中美合作组使用了一种类似于货币印刷纸的富含纤维的纸张并用碳黑粉末将其完全涂覆,碳黑粉末是一种由油或焦油不完全燃烧后剩下的黑色粉末。接着,他们将聚苯乙烯泡沫切割成25个彼此相连的平台并浮在未处理的污水水面上,用作隔热屏障以防止太阳光加热下方水体。然后,研究人员在每个部分上覆盖上碳黑纸张并将端部向下折叠,以便纸张尾部浸入水中。在毛细作用下碳黑纸向上吸水并最终润湿平铺于25个平台的每个纸张的表面。最后,整个装置由透明亚克力外壳罩住并密封。

在装置工作期间,蒸发出的水蒸气在亚克力外壳的内表面凝结并滑落至收集容器中,碳黑纸面的水则源源不断地通过毛细作用从下方水体中补充。在本周发表于《Global Challenges》的研究报道中,该装置不仅可以顺利蒸发并收集纯净水资源,而且其吸收阳光并用于蒸发水的能量转换效率高达88%,这使得该设备的净化水速率达到每平方米每小时1升水,产率大约为主流商用产品的2.4倍。

更为重要的是,这一太阳能蒸馏装置的成本非常低廉。所需材料成本约为每平方米1.6美元(如进行大规模生产这一数字可能还会下降),而商用系统往往依靠昂贵的透镜聚焦太阳光来加速蒸发,每平方米成本约为200美元。以这个价格,提供四口之家所需纯净水量的花费可低至每个设备5美元原材料费。如果能够商业化,该设备的零售价格最终可减少全球水资源基础设施升级所需的巨大资金缺口,据世界经济论坛预测这一缺口在2010年至2030年间将达到26万亿美元。低廉的成本不仅可以帮助贫困地区的人们,而且还能够援助工作人员向受自然灾害影响急缺安全水源的地区大量部署便宜的净水器。复旦大学江素华教授说,“我们认为这是一项立即可用的研究。”。

美国麻省理工学院机械工程系教授Gang Chen表示,这项新工作是“非常好的进步”,他近年来研发了自己的太阳蒸馏器技术,使用的材料稍有不同。新的设备不仅使用了比市场上其他设备都便宜的原材料,而且使得淡水净化更快更多。他指出,“这对于解决当下许多水资源问题非常重要。”

日前,该课题组正在积极筹备公司来将此项工作产业化,并和来自世界各地的其他公司商讨进一步推广新技术的可能性。(来源:科学网)

 
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