近年来,随着全球范围水污染问题日益严重,水资源短缺和水危机已经成为全球性难题之一。解决严重淡水危机的最有前途方法之一是开发利用不可直接饮用的水,如海水。传统的海水淡化技术需要直接或间接地消耗不可再生的化石燃料资源,会加速资源消耗,也会污染环境。太阳能是一种高效、源源不断可持续的清洁能源,利用太阳能来驱动海水淡化具有巨大的发展潜力。
但传统的太阳能蒸馏技术效率低、产量小,主要原因是水对太阳光的吸收效率低,大部分热量分散于水体中。为提高太阳能蒸馏过程中水的蒸发效率,一方面需要采用光热转换材料提高对太阳光的吸收率和光热转换效率;另一方面,根据水蒸发仅发生在水体表面这一特征,设计自漂浮材料,将光热转换材料吸收太阳能产生的热量聚集于空气/水的界面以减少热量的损耗。
最近,中国科学院上海硅酸盐研究所研究员朱英杰带领的科研团队,在新型无机耐火纸的研究工作基础上,以羟基磷灰石超长纳米线耐火纸为载体,负载碳纳米管,成功研制出大尺寸新型光热转换耐火纸。羟基磷灰石超长纳米线耐火纸具有热导率低、隔热性能优异、热稳定性高、生物相容性好、环境友好等优点,可显著减少热量损耗,达到提高太阳能利用效率的目的。
该新型光热转换耐火纸在太阳光照射下可有效吸收太阳光并转换为热能,用于加热其表面的水而产生水蒸汽,水蒸汽在冷凝装置中经过冷凝产生清洁水。新型光热转换耐火纸在海水淡化、含重金属离子、染料和细菌等污水净化等领域具有良好的应用前景。
实验结果显示,新型光热转换耐火纸在1kW/m2模拟太阳光源照射1分钟条件下,其表面温度快速升高至约80℃,而未负载碳纳米管的耐火纸表面温度仅为约35℃。
将新型光热转换耐火纸放置在水溶液中,可自漂浮在水面上而不下沉。进一步测试了新型光热转换耐火纸的水蒸发性能,在1kW/m2模拟太阳光源照射下水蒸发效率为83.2%,在10kW/m2模拟太阳光源照射下水蒸发效率高达92.8%。另外,新型光热转换耐火纸可多次循环使用和长期使用,水蒸发性能的稳定性良好。