玉米秸稈蒸發體用于太陽能海水淡化
【摘要】大連理工大學極端條件熱物理與能源系統團隊的李林副教授和唐大偉教授利用玉米秸稈開發了一種高效、低成本的蒸發體用于太陽能海水淡化。玉米秸稈不僅是一種低成本的農業廢棄物，它還具有孔隙發達、密度低等特點。其內部具有復雜的多孔結構，可以在高效輸水的同時保持良好的隔熱。這些特點使該蒸發體在一個太陽強度下的蒸汽轉化率達到了86%，蒸發速率達到了1.497 kg m-2h-1。該研究成果以Highly Thermally Insulated and Superhyhilic Corn Straw forEfficient Solar Vapor Generation為題，發表于ACS Appl. Mater.Interfaces，論文第一作者為博士生張昊天。
【背景介紹】
太陽能界面蒸發是一種新型太陽能海水淡化方式。它通過將一種具有多孔結構的蒸發體漂浮于水面上，在水-空氣界面處進行光熱轉換形成局部熱區，同時蒸發體的內部多孔結構通過毛細作用向頂部熱區連續供水，從而引起蒸發。該技術由于具有熱損小、系統簡單、成本低等優點而極具前景。高效的蒸發體需要在頂部蒸發表面聚集熱量，同時向該區域連續供液，這就要求其能夠在保持良好隔熱的同時高效輸水。然而，普通的多孔介質在飽和液相狀態下的熱導率會大幅增加，增大了熱量向下方水體的散失，使其蒸發性能受限。另外，當前報道的大部分蒸發體（例如：石墨烯泡沫、貴金屬修飾的碳海綿、水凝膠等）還存在著制備工藝復雜、成本昂貴等問題。
【本文亮點】
針對以上問題，作者以玉米秸稈這一農業廢棄物為原材料，通過一步表面碳化處理，制備出了一種低成本、易合成的生物質蒸發體。玉米秸稈內部具有復雜的多孔結構，包括相互連通的管束、封閉的管胞、微孔、納米孔等，而且管胞環繞管束形成了陣列結構。由此構建的蒸發體不僅可以通過管束、微孔進行輸水，而且還可以通過管胞進行隔熱，從而實現在高效輸水的同時有效隔熱。玉米秸稈的有效熱導率僅為0.042 W m-1K-1，與聚合物泡沫等商用隔熱材料相當。另外，玉米秸稈的表面經碳化處理后，其太陽光譜吸收率達到了91%。由于玉米秸稈蒸發體優異的吸光性、親水性和隔熱性，其在一個太陽強度下的蒸汽轉化率達到了86%，高于大部分已報道的生物質蒸發體。另外，玉米秸稈成本極低，每平方米僅需0.8美元，在規模化應用中優勢明顯。
【圖文解析】
圖1、玉米秸稈蒸發體的結構和工作原理示意圖
圖2、玉米秸稈的表面形貌和微觀結構
作者發現玉米秸稈具有良好的親水性和極低的熱導率，能夠在有效供水的同時保持良好的隔熱，是一種理想的太陽能界面蒸發體材料。作者首先對玉米秸稈進行冷凍干燥來保留其內部天然的孔隙結構，然后對其表面進行火焰-快速淬火碳化處理，形成雙層蒸發體。通過掃描電鏡可以看出，玉米秸稈內部主要包括管束組織和管胞組織。管束是沿著生長方向縱向連通的，以大量篩管環繞中間粗壯脈管結構組成，這種微納通道可以通過毛細作用向上輸水。同時，篩管與脈管之間的壁面上存在大量的微孔，該結構可以促進水分的橫向擴散。管胞是一種封閉的微腔室，其冷凍干燥后會充滿空氣，從而使其具有良好的隔熱性。
圖3、玉米秸稈表面碳化前后紅外光譜和光電子能譜分析
傅里葉變換紅外光譜分析發現，干燥秸稈和火焰秸稈表面均含有大量以C-O、C=O、O-H為主的親水基團，使該材料表面具有良好的親水性。通過光電子能譜表面分析發現，玉米秸稈主要由C、N、O元素組成，其表面經火焰淬火碳化處理后，一部分C-O被氧化為C=O，由此形成的碳化表面仍保持了良好的親水性。
圖4、玉米秸稈的光吸收率、熱導率及水輸運能力
經表面碳化處理的秸稈蒸發體對AM 1.5標準太陽光全譜（300-2500 nm）實現了91%的吸收。該秸稈蒸發體在干燥狀態下的有效熱導率為0.042 W m-1·K-1，濕潤狀態下的有效熱導率為0.118 W m-1·K-1，低于當前所報道的大多數生物質材料，甚至接近商用隔熱材料(聚乙烯泡沫的熱導率為0.04 W m−1K−1)。另外，研究發現該玉米秸稈蒸發體表面具有超親水特性，而且其內部能夠快速、連續的進行毛細輸水。
圖5、玉米秸稈蒸發體的蒸發性能
在一個太陽光照強度下，玉米秸稈蒸發體的蒸發性能在在連續照射500 s后的蒸發性能趨于穩定，表面溫升23oC，展現出了超快的光熱轉換性能。同時，該玉米秸稈蒸發體在一個太陽光照下的蒸發速率達到了1.497 kg m−2h−1，蒸汽轉化效率達到了86%，超過了當前報道的大部分生物質蒸發體。另外，多次循環蒸發實驗證明該蒸發體具有很好的穩定性。
【總結】
玉米秸稈內部的復雜多孔結構使其能夠在有效供水的同時保持良好隔熱，從而解決了蒸發體向蒸發表面連續供液和有效隔熱之間的矛盾，實現了穩定、高效的太陽能界面蒸發。另外，玉米秸稈蒸發體成本極低、制備工藝簡單，促進了太陽能界面蒸發的規模化應用，推動了太陽能海水淡化技術的發展。
Haotian Zhang, Lin Li*, Bo Jiang,Qian Zhang, Jing Ma, DaweiTang*, and Yongchen Song, Highly Thermally Insulated and Superhyhilic Corn Straw for Efficient Solar Vapor Generation,ACS Appl. Mater. Interfaces,2020, DOI:10.1021/acsami.0c01585
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