为世界解渴:晒太阳一小时,每平米可产10公斤纯净水!
朱嘉课题组 纳米人 2020-03-26

在过去的几十年里,清洁水的消耗和生态系统的严重污染使人类面临着前所未有的水资源危机。由于水和能源是相互交织的双重挑战,开发先进的绿色水处理技术是至关重要的。在诸多的水处理技术中,直接使用可再生能源是近些年来的重要发展方向。对于几乎所有的水处理技术,如废水处理、贵金属回收和海盐生产,产物输出量都是实际应用中的关键指标,在蒸发过程中即为蒸发速率。

 

传统多孔蒸发器蒸发过程的详细研究发现蒸发速率是由相变和扩散两个连续的步骤共同决定的。第一步是相变过程,水分子从蒸发器表面蒸发出来变成水蒸气;第二步是扩散过程,水蒸气从多孔结构扩散到大气环境中。之前的大部分研究都集中在增加多孔蒸发器的蒸发表面,以最大限度地实现第一步的相变过程。然而,在传统的多孔蒸发器中,如果是封闭的多孔结构,蒸发的第二步扩散通常会不充分,大量的蒸汽被限制在孔隙中扩散出不去,从而限制了蒸发速率(图1A)。

 

因此,除了基本的光学和热管理以及水输运方面的设计外,设计多孔结构实现有效的相变和及时的蒸汽扩散是至关重要的(图1B)。因此,多孔蒸发器的设计要满足几个关键的要求(图1C)。首先,它应该有一个多孔结构,以提供充足的蒸发表面;这种多孔结构还应具有良好的亲水性,以保证充足供水;最重要的是,结构内部的所有孔隙必须相互连通,以确保在自然对流的协助下可以实现有效的蒸汽扩散(图1D);最后,孔径还需要优化,因为蒸发的表面积和有效扩散的空间之间需要达到平衡。

   


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图1. 传统蒸发器和三维连通多孔蒸发器的水蒸发原理图。(A) 传统的蒸发器蒸发示意图。有限封闭孔隙内的蒸汽的扩散很弱,蒸发面产生的蒸汽在封闭的孔隙内停滞,导致扩散和蒸发速率低。(B) 连通孔隙有效蒸发的示意图。相互连通的多孔结构使得在对流的协助下蒸汽扩散充分。(C)示意图展示了实现高蒸发速率的三维互联多孔蒸发器的设计理念。它的三维结构需提供充分的蒸发表面、良好的亲水性、和高效的光吸收。(D) 联通多孔结构的微观图像,它确保了在自然对流下蒸汽的有效扩散。

 

成果简介

近些年来,利用新能源驱动水蒸发的研究为实现低碳、环保水处理技术提供了一条新的路径。由于水蒸发速率和水处理的产率直接相关,追求高的水蒸发速率是这个领域近些年来的研究热点。要实现高效的蒸发,要求相变过程和扩散过程高效且匹配。过去,研究人员一般通过在微纳米尺度精细设计蒸发器的材料和结构来提高蒸发器的水蒸发能力,水蒸气的扩散(到环境中去)很大程度上限制了有效蒸发的进行,却鲜有关注。

 

最近,南京大学的研究团队设计了一种三维连通多孔碳泡沫作为蒸发器,在自然对流的辅助作用下,实现了高的蒸发速率与有效的蒸汽扩散的匹配,将蒸发速率提高到了10 kg m-2 h-1以上。相关成果发表在Cell Press旗下的能源旗舰期刊Joule 上,题为“Over 10 kg m-2 h-1 evaporation rate enabledby a 3D interconnected porous carbon-foam”。预期该研究可以为开发具有高处理能力、全天候运行、环境友好的水处理蒸发器提供新的设计思路,对推动蒸发水处理技术的产业化应用具有重要意义。

 

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第一作者:李金磊,王雪旸,林振辉

通讯作者:朱嘉

通讯单位:固体微结构国家实验室,现代工程与应用科学学院,江苏人工功能材料重点实验室,南京大学


研究亮点:

1. 设计了一种三维连通多孔碳泡沫作为蒸发器,将蒸发速率提高到了10 kg m-2 h-1以上。

2. 探究了孔径,多孔结构的形态对蒸发速率的影响。


要点1:三维连通多孔碳泡沫(3D IPCF)的制备和表征

作者利用一种特殊的气体协助膨胀穿孔工艺制备了一种三维连通多孔碳泡沫(3D IPCF)作为蒸发器。如图2A所示,作者利用蔗糖和浓硫酸进行反应。在这一过程中,蔗糖发生脱水反应,形成的碳(C6H12O6→6C+6H2O)有着高的太阳光吸收率和极好的亲水性。紧接着,部分碳与浓硫酸反应生成混合气体(C+2H2SO4→CO2↑+4SO2↑+2H2O),由此产生了巨大的体积膨胀(高达700%)而形成了一个三维的结构。同时,由于内部产生的气体趋向于向外逃逸,因此这些气体在逃逸的过程中在三维结构上留下了从内到外相互连通的孔道结构。

 

如图2B所示,制备好的IPCF呈现黑色,并且有着三维多孔结构。它的微观结构如图2C所示。它有着大量直径从几十微米到几毫米的相互连通的孔道。正如前面所讨论的,最关键的就是确保这些孔道的连通性。实验发现,直径小于2.5 um的颗粒能够顺利的通过这个结构(如图2D所示)。因此,可以预期有着更小直径的气体分子必然能够穿过这种三维(3D) IPCF。图2F的XPS光谱证明了,经过碳化后,3D IPCF最主要的元素是碳、氧和硫。而3D IPCF中的亲水基团,如C-O, C=O和CSOx,有助于为蒸发提供持续的水供应。图2F显示的快速的水渗入是其优秀亲水性的直接证明。图2G展示的3D IPCF的吸收光谱表明了这个结构能够对标准太阳光谱(AM 1.5G)实现93%的吸收。


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图2.(A)3D IPCF的制备过程。浓硫酸将蔗糖碳化,产生的气体会导致独特的膨胀和穿孔。(B)3D IPCF的光学照片。比例尺为1cm。(C)3D IPCF的光学显微镜照片。相互连通的孔的尺寸在几十微米到几个毫米。(D)PM2.5能够穿过3D IPCF,证明了它具有连通的孔道供气体分子穿过。(E)3D IPCF的XPS能谱表明它由碳、氧和氮元素组成。(F)3D IPCF的接触角测试表明其具有超亲水特性,因为水滴迅速的渗入到了体内。(G)3D IPCF的吸收光谱。

 

要点3:研究3D IPCF蒸发性能和孔径之间的关系

3D IPCF的多孔结构对对流协助的蒸汽扩散起到了关键作用。作者随之研究了3D IPCF的孔径大小对蒸发速率的影响。如图3 A所示,作者发现,当没有对流的协助作用,无论3D IPCF的孔径大小,蒸发速率都只有约0.4 kg m-2 h-1(以投影面归一化,下文亦然)。这是由于水蒸气扩散不充分导致的。然而,在强度为2m s-1对流(和风)的协助下,平均孔径大小为5.8(2.8)mm的3D IPCF的蒸发速率达到了5.6(4.6)kg m-2h-1。作为对照,在相同的对流强度下,孔径大小分别为150 μm 和 350 μm的3D IPCF对应的蒸发速率只有 3.2 kg m-2 h-1和3.8 kgm-2 h-1。同样的,在6m s-1的对流下(微风),有着越大的孔径的3D IPCF实现了更高的蒸发速率。因此,相比于小孔径3D IPCF,大孔径的3D IPCF在对流的作用下拥有更有效的水蒸气扩散效果。这与传统的认识相悖,即认为理想的多孔蒸发体应该拥有小的孔径以及高的比表面积,只有这样才能够获得高的蒸发速率。因此,本文为设计多孔蒸发体提供了一个新的认知,即相比于追求高的比表面积,设计出来的结构能够使得水相变过程和扩散过程合理的匹配才是最重要的。

 

紧接着,作者研究了3DIPCF在太阳光照下的蒸发行为,以此进一步证明上述的论证。如图3B所示,当没有对流时,不同孔径的3D IPCF展现出相同的蒸发性能。在太阳光的作用下,蒸发速率达到了约2.5 kg m-2h-1,大于暗场下的蒸发速率约0.4 kg m-2 h-1。这个蒸发速率同样高于二维蒸发体的理论极限蒸发速率(1.5-1.6 kg m-2 h-1),这是由于3D IPCF可以从环境中汲取一部分能量来促进蒸发。同样的,相比于小孔径的3DIPCF(~100μm),大孔径的3D IPCF(~1 mm)实现了更高的蒸发速率。例如,在一个太阳以及2 m s-1和6 m s-1的对流下,平均孔径为5.8mm的3D IPCF 达到了7.8 kg m-2h-1和10.9 kg m-2 h-1的蒸发速率,高于平均孔径为150μm的3D IPCF(2m s-1和6m s-1下的蒸发速率分别为6.4 kg m-2h-1和7.6 kg m-2 h-1)。在本文中,作者还预期了通过进一步的优化相互连通多孔蒸发器的结构可以进一步大幅提升蒸发速率。

 

随后作者通过理论模型对蒸发速率随孔径变化的微观机制进行了研究。这个模型讨论了两个具有代表性的孔道直径,分别是1 mm和100μm(孔道长度皆为400μm)。对流流动从左边进入这些一维微孔道。孔道的上下壁面为蒸发表面。正如图3C和3D所示,对于1 mm的孔径,在轻微的对流作用下,上下蒸发壁面蒸发出的水蒸气浓度场从严重的相互干扰(不利于水蒸气扩散)变为了完全不相互干扰(水蒸气充分扩散)。但是,对于小孔径孔道(100μm),在相同的对流作用下,两个壁面蒸发出的水蒸气的浓度场干扰一直存在,预示着水蒸气难以扩散(图3E和3F)。为了定量反映水蒸气的扩散程度,以及蒸发表面与对流之间的热与物质的交换,作者定义了边界层厚度,即蒸发孔道壁面与水蒸气浓度下降到饱和蒸汽浓度的80%处(如图3D所示)。由图3G和3H可知,相比于小孔径孔道,大孔径孔道的边界层厚度随对流强度的增加下降的更快,预示着在大孔径中水蒸气的扩散更为有效。这些结果与之前的实验结果相符合。


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图3.(A)蒸发速率和3D IPCF孔径之间的依赖关系(无光照)。具有较大孔径的3D IPCF可以实现更好的蒸汽扩散,从而实现了更高的蒸发速率。(B)在光照情况下,蒸发速率和3D IPCF孔径之间的依赖关系。(C-F)蒸汽在微孔内的浓度分布。C和D中孔道直径为1 mm,E和F的为100 μm,孔道的长度皆为400 μm。(G和H)1 mm 和 100 μm 孔道的蒸汽边界层厚度和对流强度的关系。边界层厚度的迅速降低表明蒸汽在大孔径孔道中得到更好的逸散。

 

要点3:多孔结构的形貌和蒸发性能的关系

除了孔径,多孔结构的形态在利用对流来增强蒸汽逸散方面也有很重要的作用。作者制备了两种孔形态的三维气凝胶进行了实验验证:一种具有垂直孔道(图4A)、一种具有相互连通的孔道(图4B)。这两种结构的孔径保持一致。如图4C所示,前者由竖直的GO片层构成,在水平方向具有封闭的孔,因此阻碍对流的流过。与之形成对比的是,后者是由相互连接的多孔GO片层组成(图4D)。对流可以从气凝胶的相互连通的孔道中穿过。这些猜测可以利用PM2.5在这两种结构中的不同穿透性来验证(图4E)。从图4F中可以发现,具有相互连接孔的结构的气凝胶的蒸发速率一直比具有垂直孔道的要高。因此,要实现高的蒸发速率,设计蒸发器的孔为相互连接的是非常重要的。


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图4.(A和B)具有垂孔道和相互连通管孔道的多孔结构(更优)被用作对比。左侧是光学照片,右侧是示意图,比例尺为1 cm。(C 和D) 两种多孔结构的SEM图。左侧是截面图,右侧是俯视图。(E)两种结构的PM2.5通过行为测试。(F)两种结构的蒸发速率。相互连通孔结构比垂直孔道结构蒸发速率快。

 

要点4:3D IPCF的户外蒸发性能和用于污水处理

随后作者测试了大规模的3DIPCF的蒸发性能。测试装置及测试条件展示在图5A中。如图5B所示,这个装置在上午9:00到晚上22:00的十三个小时连续测试中实现了累计42.0 kg m-2 的水蒸发,展示出了这种3D IPCF很强的实际应用潜力。此外,这个装置在白天的蒸发速率为2.3 到 6.1 kg m-2 h-1,在晚上为 1.6 到 2.1 kg m-2 h-1。差异来源于在不同阶段环境条件不同。值得一提的是,在对流的协助下,该吸收体可以同时实现高的日间和夜间蒸发,这于蒸发水处理的实际应用需求非常契合。作为两个典型的例子,作者展示了用这种3D IPCF来处理被染料分子和重金属离子污染的水体。图5C和 5D展示了,这种蒸发处理方式可以大幅降低水体中的污染物,并且达到了环保部门的排放要求。这种3D IPCF在15个污水处理循环过程中也展现出很好的稳定性。


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图5.(A)户外实验的条件。插图展示了大规模装置的照片,比例尺是5 cm。(B)连续13小时的蒸发性能。在对流的作用下,3D IPCF可以在白天和晚上都蒸发水。(C和D)3D IPCF应用在污水处理领域。在处理被染料分子和重金属离子污染的水样后,水质达到环保部门的要求。

 

小结

概括起来,本文设计了一种具有三维连通多孔结构的碳泡沫,提出利用自然界的对流来协助促使蒸汽进行扩散,实现了10.9 kg m-2 h-1以及连续13个小时42.0 kg m-2(户外)水蒸发速率,从而为基于蒸发的水处理技术的大规模应用迈进了坚实的一步。

 

参考文献

Over 10 kg m-2 h-1evaporation rate enabled by a 3D interconnected porous carbon-foam, Joule, 2020

DOI:10.1016/j.joule.2018.10.003

https://www.cell.com/joule/fulltext/S2542-4351(20)30092-1

 

作者介绍

李金磊,南京大学现代工程与应用科学学院在读博士研究生。2016年加入朱嘉教授课题组学习,并于2019年获得硕士学位。主要研究太阳能光热转化和辐射制冷等课题。以第一作者(含共同一作)在Joule, Science Advances,Advanced Materials等杂志发表多篇论文。

 

王雪旸,南京大学现代工程与应用科学学院在读硕士研究生。研究方向是基于界面光热的水处理技术。在Angewandte Chemie Internationals Edition等杂志上发表多篇文章。


林振辉,南京大学现代工程与应用科学学院研究生,2019年于南京大学现代工程与应用科学学院获得学士学位,随后加入朱嘉教授课题组,主要从事热光伏、光热蒸汽转换等方面的研究工作。

 

通讯作者:朱嘉,南京大学现代工程与应用科学学院教授、博士生导师,于南京大学获得物理学学士,美国斯坦福大学电子工程学硕士、博士,加州大学伯克利分校博士后。主要研究基于微纳结构的能源转换与存储器件。在Nature Photonics, Nature Nanotechnology, Nature Materials, Joule,Science Advances, PNAS, Nano Letters,Advanced Materials等国际高影响力学术期刊发表论文100余篇。

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