碳黑紙材料助力高效低廉太陽能蒸餾器解決全球飲用水短缺問題

【引言】

?全球淡水資源的枯竭和可飲用純凈水衛生處理設備的缺乏是全人類面臨的嚴峻挑戰之一。有預測顯示，到2025年，世界上超過半數的國家將面臨淡水資源緊張的嚴峻形勢。而到2050年，世界上75%的人口將面臨水資源短缺的困境。基于反滲透膜的污水凈化和海水淡化裝置是目前的主流解決方案。但其昂貴的制造和運行成本及高能耗導致的環境污染限制了這一技術的廣泛應用。因此，開發用于消毒和凈化水資源并能滿足經濟和可持續發展要求的技術勢在必行。這類技術對于低成本、低能耗和環保等方面都有更高的要求。為了滿足這一需求，開發廉價、便攜且不需要額外電能輸入的太陽能蒸餾器近年來引起了世界各國研究人員的持續關注。

最近美國紐約州立大學布法羅分校與復旦大學和威斯康辛大學麥迪遜分校合作組的一項研究報道了一種高效廉價太陽能蒸餾器。通過收集太陽能實現污水凈化及蒸餾，產水效率達到了目前商用設備的2.4倍。其原材料成本更是低于每平方米2美元。該研究主要合作者之一，復旦大學劉哲郡博士表示，“該技術對于小型社區來說非常理想，能夠幫助人們制取滿足個人飲水需求的純凈水，就像通過屋頂的太陽能電池板發電滿足個人日常用電需求一樣方便。”劉哲郡博士受國家留學基金委資助，于美國紐約州立大學布法羅分校做訪問學者期間完成了此項研究，成果近期發表于《Global Challenges》期刊上并被Science等多家科研媒體競相采訪報道。

太陽能蒸餾器的開發歷史久遠，大多數太陽能蒸餾器由盛滿水的黑底容器組成，頂部蓋以透明玻璃或塑料并密封。被黑色材料吸收的太陽光使水蒸發加速，蒸餾水在透明頂蓋凝結滑落，最終由管道流出收集用于飲用。在此過程中，水中的鹽、細菌及大多數污染物不會隨水蒸發。然而，在這種設計下，大部分太陽光能量消耗在緩慢加熱整個容器的水體過程中。即使是性能最好的蒸餾器也至少需要約6平方米的大小，以生產足夠一個人一天所需的純凈水量。

近年來，研究人員使用兩種方法改進了太陽能蒸餾器。首先，重新設計蒸餾器的結構，使得只有容器中最頂層的水面被加熱和蒸發，這意味著更少的能量損失。其次，利用納米材料來吸收更多的太陽光。但是用于有效光吸收的納米材料成本高達每克數百美元，這限制了其在技術條件不足且缺水的發展中國家的廣泛應用。

【成果簡介】

美國紐約州立大學布法羅分校電子工程系的甘巧強教授帶領的研究小組和他的合作者們（中國復旦大學的江素華教授和美國威斯康辛麥迪遜大學的喻宗夫教授）關注了這一問題。

他們的新裝置由三個主要部件組成：首先，中美合作組使用了一種類似于貨幣印刷紙的富含纖維的紙張并用碳黑粉末將其完全涂覆，碳黑粉末是一種由油或焦油不完全燃燒后剩下的黑色粉末。接著，他們將聚苯乙烯泡沫切割成25個彼此相連的平臺并浮在未處理的污水水面上，用作隔熱屏障以防止太陽光加熱下方水體。然后，研究人員在每個部分上覆蓋上碳黑紙張并將端部向下折疊，以便紙張尾部浸入水中。在毛細作用下碳黑紙向上吸水并最終潤濕平鋪于25個平臺的每個紙張的表面。最后，整個裝置由透明亞克力外殼罩住并密封。

在裝置工作期間，蒸發出的水蒸氣在亞克力外殼的內表面凝結并滑落至收集容器中，碳黑紙面的水則源源不斷地通過毛細作用從下方水體中補充。在本周發表于《Global Challenges》的研究報道中，該裝置不僅可以順利蒸發并收集純凈水資源，而且其吸收陽光并用于蒸發水的能量轉換效率高達88％，這使得該設備的凈化水速率達到每平方米每小時1升水，產率大約為主流商用產品的2.4倍。

更為重要的是，這一太陽能蒸餾裝置的成本非常低廉。所需材料成本約為每平方米1.6美元（如進行大規模生產這一數字可能還會下降），低廉的成本不僅可以幫助貧困地區的人們，而且還能夠援助工作人員向受自然災害影響急缺安全水源的地區大量部署便宜的凈水器。復旦大學江素華教授說，“我們認為這是一項立即可用的研究。”。

【圖文導讀】

?圖一 碳黑纖維紙的SEM形貌及碳黑對太陽光的吸收效應

A?未涂覆碳黑的富含纖維紙張的SEM圖像。

B 涂覆碳黑后紙張的SEM圖像，碳黑均勻地粘附在紙張纖維上。

C 涂覆碳黑前后紙張的吸收譜對比，碳黑紙的吸收在整個太陽光譜都接近1。

D 四種不同條件下的1倍太陽光下的蒸發速率，分別是：藍色—黑暗環境下的水面；綠色—1倍太陽光下的水面；黃色—1倍太陽光下的白紙；紅色—1倍太陽光下的碳黑紙。

E 利用紅外熱成像測得的圖D中四中條件的表面溫度分布，碳黑紙上的溫度明顯升高。

圖二 絕熱結構的設計對蒸發的顯著增強

A?加入絕熱聚苯乙烯泡沫結構（上圖）和直接將碳黑紙置于水面（下圖）的照片。

B 實驗裝置示意圖。

C 對應A圖兩種結構的表面溫度分布，加入絕熱聚苯乙烯泡沫后1倍陽光下的表面溫度上升到44.2℃。

D 1倍太陽光下的蒸發速率比較，綠色—1倍太陽光下的水面，紅色虛線—無絕熱泡沫的碳黑紙，紅色實線—加入絕熱泡沫的碳黑紙，黃色圓圈—文獻中的最大蒸發速率（H. Ghasemi et al., Nat. Commun.?2014, 5, 4449.）

圖三 不同聚焦倍數太陽光下的蒸發性能表征及熱轉換效率

A?不同聚焦倍數下的蒸發速率曲線，紫—1倍，藍—3倍，綠—5倍，黃—7倍，紅—10倍。

B?蒸汽溫度和水體溫度隨時間變化的曲線，實線—樣品上方探頭測得的蒸汽溫度，虛線—樣品下方水中探頭測得的水體溫度。

C 通過公式計算得到的不同聚焦倍數下的太陽能熱轉換效率，1倍光下達到88.6%，10倍光下達到94.8%。

D 熱轉換效率和文獻數據的對比，在低倍太陽光強度下具有明顯優勢。

圖四 太陽能海水淡化實驗表征

A?蒸發速率的循環實驗，循環十次速率保持穩定，紅色—淡水，藍色—鹽水。

B 鹽水中蒸發1小時后表面析出鹽顆粒的SEM圖像。

C 鹽水淡化的穩定性表征，蒸發速率隨時間增加先上升后保持穩定。

D 鹽水中樣品表面析出鹽分的照片。

E 鹽水中樣品表面析出鹽分的表面溫度分布。

圖五 太陽能蒸餾器原型

A?傳統太陽能蒸餾器示意圖，由盛滿水的黑底容器組成，頂部蓋以透明玻璃或塑料并密封。

B 面積為100cm²的5×5碳黑紙陣列。

C—D 1倍太陽光照射前后樣品表面溫度分布。

E—G?不同實驗條件裝置圖，E—碳黑紙陣列置于鹽水容器中，F—無樣品鹽水容器，底部覆蓋黑色鋁箔，G—無樣品鹽水容器。

H?蒸發速率隨時間的改變，紅—E，綠—F，藍—G，可以看到加入碳黑紙陣列對于蒸發速率有極大提升，且速率保持穩定。

I?放置于湖面上的原型照片。

J 蒸餾器原型（右）和商用太陽能蒸餾器對照組（左）置于湖面，日照一天后收集蒸餾水量約為相同面積商用裝置的2.4倍。

K 實驗當日陽光強度與室外溫度隨時間的變化趨勢。

【小結】

美國麻省理工學院機械工程系教授Gang Chen表示，這項新工作是“非常好的進步”，他近年來研發了自己的太陽蒸餾器技術，使用的材料稍有不同。新的設備不僅使用了比市場上其他設備都便宜的原材料，而且使得淡水凈化更快更多。他指出，“這對于解決當下許多水資源問題非常重要。”

日前，該課題組正在積極籌備公司來將此項工作產業化，并和來自世界各地的其他公司商討進一步推廣新技術的可能性。

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

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

本文由復旦大學材料科學系劉哲郡投稿，材料牛編輯曉fire編輯整理。