碳黑纸材料助力高效低廉太阳能蒸馏器解决全球饮用水短缺问题

【引言】

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临的严峻挑战之一。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表示，“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 Challenges》期刊上并被Science等多家科研媒体竞相采访报道。

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。

【成果简介】

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），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。”。

【图文导读】

图一 碳黑纤维纸的SEM形貌及碳黑对太阳光的吸收效应

A 未涂覆碳黑的富含纤维纸张的SEM图像。

B 涂覆碳黑后纸张的SEM图像，碳黑均匀地粘附在纸张纤维上。

C 涂覆碳黑前后纸张的吸收谱对比，碳黑纸的吸收在整个太阳光谱都接近1。

D 四种不同条件下的1倍太阳光下的蒸发速率，分别是：蓝色—黑暗环境下的水面；绿色—1倍太阳光下的水面；黄色—1倍太阳光下的白纸；红色—1倍太阳光下的碳黑纸。

E 利用红外热成像测得的图D中四中条件的表面温度分布，碳黑纸上的温度明显升高。

图二 绝热结构的设计对蒸发的显著增强

A 加入绝热聚苯乙烯泡沫结构（上图）和直接将碳黑纸置于水面（下图）的照片。

B 实验装置示意图。

C 对应A图两种结构的表面温度分布，加入绝热聚苯乙烯泡沫后1倍阳光下的表面温度上升到44.2℃。

D 1倍太阳光下的蒸发速率比较，绿色—1倍太阳光下的水面，红色虚线—无绝热泡沫的碳黑纸，红色实线—加入绝热泡沫的碳黑纸，黄色圆圈—文献中的最大蒸发速率（H. Ghasemi et al.,Nat. Commun.2014, 5, 4449.）

图三 不同聚焦倍数太阳光下的蒸发性能表征及热转换效率

A 不同聚焦倍数下的蒸发速率曲线，紫—1倍，蓝—3倍，绿—5倍，黄—7倍，红—10倍。

B 蒸汽温度和水体温度随时间变化的曲线，实线—样品上方探头测得的蒸汽温度，虚线—样品下方水中探头测得的水体温度。

C 通过公式计算得到的不同聚焦倍数下的太阳能热转换效率，1倍光下达到88.6%，10倍光下达到94.8%。

D 热转换效率和文献数据的对比，在低倍太阳光强度下具有明显优势。

图四 太阳能海水淡化实验表征

A 蒸发速率的循环实验，循环十次速率保持稳定，红色—淡水，蓝色—盐水。

B 盐水中蒸发1小时后表面析出盐颗粒的SEM图像。

C 盐水淡化的稳定性表征，蒸发速率随时间增加先上升后保持稳定。

D 盐水中样品表面析出盐分的照片。

E 盐水中样品表面析出盐分的表面温度分布。

图五 太阳能蒸馏器原型

A 传统太阳能蒸馏器示意图，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。

B 面积为100cm²的5×5碳黑纸阵列。

C—D 1倍太阳光照射前后样品表面温度分布。

E—G 不同实验条件装置图，E—碳黑纸阵列置于盐水容器中，F—无样品盐水容器，底部覆盖黑色铝箔，G—无样品盐水容器。

H 蒸发速率随时间的改变，红—E，绿—F，蓝—G，可以看到加入碳黑纸阵列对于蒸发速率有极大提升，且速率保持稳定。

I 放置于湖面上的原型照片。

J 蒸馏器原型（右）和商用太阳能蒸馏器对照组（左）置于湖面，日照一天后收集蒸馏水量约为相同面积商用装置的2.4倍。

K 实验当日阳光强度与室外温度随时间的变化趋势。

【小结】

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。

Science报道：http://www.sciencemag.org/news/2017/02/sunlight-powered-purifier-could-clean-water-impoverished

文献链接：Extremely Cost-Effective and Effcient Solar Vapor Generation under Nonconcentrated Illumination Using Thermally Isolated Black Paper(Global Challenges, 2017, DOI: 10.1002/gch2.201600003)

本文由复旦大学材料科学系刘哲郡投稿，欧洲足球赛事 编辑晓fire编辑整理。