朱嘉教授课题组在光-蒸汽转化领域取得新进展: 仿生睡莲叶结构用于高效稳定的高浓污水处理

发布者:袁敏敏发布时间:2019-07-12

伴随着人口迅速增长和日益严重的水污染问题,如何缓解水资源短缺压力、有效处理废水已成为全球亟需解决的问题。人们发展了诸多水处理技术 ,以缓解这些问题,如反式渗透膜、超滤膜技术等。然而目前对于处理高浓盐水(大于7%盐度)或者污水依旧未有高效廉价的方法。对于被广泛使用的膜处理技术,高浓盐水、污水的处理过程对膜的损伤极大;浓缩/结晶法需消耗大量能量。因此寻找新的高效、稳定、廉价的处理高浓海水、污水的方法是当前备受关注的议题之一。近几年来,界面太阳能蒸汽技术由于其低碳环保,无需额外能量输入等特点给海水淡化、污水处理提供了新的可能。然而,在处理高浓盐水、污水过程中,器件结盐结垢问题严重,这会严重遮挡太阳光的吸收、阻碍水的充足供应,使得光热转化效率衰减迅速,甚至导致器件的失效。

针对这一问题,朱嘉教授课题组受睡莲叶片结构启发,设计了一种多级结构(Water-lily-inspired Hierarchical Structure, WHS)的光热-蒸汽转化器件,在处理10 wt%的高浓盐水和30 wt%的污水时,可实现80%的光热转化效率。更值得一提的是,在处理高浓盐水和污水直至蒸发完全(即“零排放”)的过程中,光热转化效率并未出现明显的下降,且表面依旧可以保持洁净。该工作以《A Water-lily-inspired Hierarchical Design for Stable and Efficient Solar Evaporation of High Salinity Brine》为题发表在Science Advances(DOI: 10.1126/sciadv.aaw7013)

如图1A, B所见,自然界中的睡莲叶片有着十分有趣的结构。首先叶片的表面可以吸收太阳光,且其上分布着充足的用来逸散蒸汽的气孔。同时它的表面是疏水的,能够有效的自清洁。其次,睡莲叶片内部由许多空心腔室,使得整个叶片可以自然的漂浮于水面之上。最后,睡莲叶片和细长的根茎相连,可以通过根茎给整个叶片提供充足的水供应。

1. 受睡莲叶启发的多级结构(WHS)器件设计图AB分别是睡莲叶和WHS器件的示意图。它们有着共同的特点:疏水上表层吸收太阳光,并为蒸汽逸散提供气孔;叶片内的气体腔室可以提供更大浮力让叶片漂浮;根茎可以提供局域的水通道,减少传导热损失。C展示了薄层水夹于吸收体和底座之间的微米级示意图。D图展示了吸收体上的纳米结构对于光吸收的影响。E图展示了吸收体表面分子链尺度的修饰,使样品表面疏水。

研究团队设计的WHS器件包括了一个顶部的太阳光吸收体和一个底座,它们和睡莲叶片有着相似的特性(图1B)。如图1C所示,顶部的吸收体和睡莲叶的表面一般,具有丰富的微米孔道结构,像人工“气孔”一般,给蒸汽提供有效逸散的孔道。吸收体表面有许多纳米级的突起(图1D),可以有效地捕获太阳光,同时也为表面的疏水特性提供结构基础 (1E)。仿照叶片内的腔室结构,研究者在泡沫铜下方安装了一个带孔道的聚苯乙烯底座,使得整个装置可以漂浮在水上。聚苯乙烯底座具有很低的热导(<0.04 W m-1 K-1,可以抑制热向水体的扩散。最后如同睡莲叶片的根茎一样,采用准一维的通道(聚苯乙烯底座内的局域的孔道)进行水供应。

WHS器件处理盐水和污水时,水会从底座中的孔道进入。由于顶层的吸收体两面是疏水的,水不会进入吸收体的内部,而是会夹在吸收体和底座中的薄层空间内。这一层薄层的水是实现稳定、高效地处理浓盐水的关键。太阳能被吸收体吸收转化为热能后局域在薄水层中,实现如同界面加热一般高效的光热-蒸汽转化。同时,由于蒸发发生在顶部吸收体的下表面,随着水的蒸发,盐和溶质不会在上表面析出,而是向下排出,通过底座的孔道扩散到底部的块体水中。

研究团队对此WHS器件进行光-蒸汽转化的性能测试。对于纯水,10 wt%盐水,30 wt%的污水,WHS器件分别有着79.8%78.5% 77.2%的光热转化效率,及 1.31 kg m-2 h-1, 1.28 kg m-2 h-1 1.27 kg m-2 h-1的蒸汽产出量。在处理10 wt%浓盐水过程中,研究者将其与传统吸收体进行对比实验。在一个太阳下,利用WHS器件进行水处理,器件表面可持续保持洁净(图2A上),且其蒸发量一直保持在持续较高的水平(图2B)。而对于传统吸收体,盐逐渐在表面析出(图2A下),阻碍了太阳光的吸收,故而其蒸发量亦逐渐下降(图2B)。而在相同条件下,通过计算可得,WHS器件8小时内的平均蒸发量是1.39 kg m-2 h-1,比传统吸收体的平均蒸发量,0.97 kg m-2 h-1高出约1.4倍。



2 .WHS器件和传统吸收体在处理盐水(起始浓度为10 wt%)的表面光学照片A) 及水蒸发性能曲线B)

WHS器件在处理盐水或者污水时,能实现固液体的完全分离。如图3A3B所示,当WHS器件漂浮在盐水(污水)表面时,随着水逐渐蒸发,WHS器件逐步下移,直至将水完全蒸发留下盐或者溶质。值得一提的是,在此过程中,WHS器件表现出持续稳定的水蒸发效率,且表面并未有污染(盐或溶质的析出)。此过程中WHS器件表面照片展示在图3A3B中的第二列插图处。当水完全蒸发后,留下的盐或溶质可以很容易被取出,如图3A3B的右下角插图所示。

3.稳定且高效的光热蒸汽转化(实现水和溶质的分离)AB分别为太阳能海水淡化和污水处理时每一天的蒸发效率。其中的插图第一和第二行分别为样品每天工作时的侧视和俯视图。最右侧一列是在完全的固液分离后收集的盐和金属溶质样品。

朱嘉教授课题组14级毕业生徐凝以及16级毕业生李金磊为文章共同第一作者,现工院朱嘉教授为论文的通讯作者,并得到了南京大学祝世宁院士的指导与支持。该研究得到了固体微结构国家实验室(筹)微加工中心的技术支持, 和国家重点研发计划、国家自然科学基金、中央高校基本科研业务费专项基金项目的资助。