研究团队展示可高效蒸腾净水的合成树

2021年06月23日 20:04 次阅读 稿源:cnBeta.COM 条评论

通过太阳能来蒸馏,是从脏污与咸水中生产饮用水的一个非常实用的方法。但在生产效率方面,传统方案仍有很大的改进空间。好消息是,受红树林启发,弗吉尼亚理工大学的一支研究团队,刚刚开发出了一种能够增强暴晒蒸发和集水效果的“人工合成树”。其特点是模仿了将水从植物根茎部位,向上输送到叶子的自然过程。

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研究配图 - 1:实验装置示意(来自:AIP

早在几十年前,就已经有人提出了太阳能蒸馏器的基本设计。首先,我们需要用吸收材料来吸水。接着使之被阳光加热,并将水蒸气散发到空中。最后通过斜面天花板,让水蒸气凝结并流入收集盘。

尽管外形千变万化,但蒸馏净水的工艺本质还是大同小异。比如我们可以换用不同的材料,以更好地吸收水分或热量(包括海绵状碳材料、纸尿裤、气凝胶、或涂抹特殊的黑色聚合物)。

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研究配图 - 2:合成树组装示意

这些装置中的大多数,都利用了毛细效应。在内部凝聚力的推动下,液体可通过粘附在边缘并向上推动其它分子,以爬过狭窄的空间。不过这种方法的一大短板,就是难以高效地拓展规模。

弗吉尼亚团队的新研究,则放眼于寻找大自然中更高效的吸水系统。据悉,毛细作用仅在植物的水分运输中占据很小的一部分,大部分都是通过蒸腾作用而移动的。

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研究配图 - 3:蒸发 / 冷凝 / 转化效率比较

在此过程中,植物可从根部、树干和树枝部分有效吸收水分,并通过叶片以水蒸气的形式排出。具体说来是,蒸腾作用涉及一种吸力,由植物周围空气中较低的水势驱动。

这会促使水分子从植物转移到空气中,从而增加植物内部的水分子张力、并将之向上拉。从理论上讲,这种机制能够将水泵送到所需的任意高度。

基于此,该校团队设计出了一套利用蒸腾作用的“合成树”,具体由 19 根高 6 厘米(2.4 英寸)、内径仅 3.175 毫米(0.1 英寸)的塑料管制成。

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研究配图 - 4:涂抹材料与否的 Laplace 负压绝对值比较

通过将水拉抬到一个表面积为 22.9 cm²(3.5 in²)石墨涂层多孔陶瓷盘上,合成树就能够像叶子一样,实现高效的蒸腾作用。

研究人员指出,与使用大容量储罐的传统方案相比,这种合成树能够吸收三倍水量。接下来,他们希望测试更高的版本、增加更多的叶片、以及尝试通过半透膜来过滤其中的盐分。

最后,有关这项研究的详情,已经发表在近日出版的《应用物理快报》(Applied Physics Letters)上。

原标题为《Technology could make the renewable energy source a more viable choice.》。

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