太阳能技术在废水处理的应用研究

【引言】

高效的太阳能转换与利用被视为国家能源的重大需求。其中，光-热（蒸汽）转化在海水淡化、分馏、灭菌等领域展现出很好的应用前景。然而由于光学和热学的损耗，传统的光-热（蒸汽）转化效率较低（~40%），很大程度上限制了其广泛应用。

【成果简介】

南京大学现代工程与应用科学学院朱嘉教授课题组在高效界面光热转换领域做出了一系列工作：首先成功地实现了最黑等离激元吸收体的制备（Science Advances, 2, e1501227 (2016)）；在此基础之上实现了首个基于等离激元增强效应的太阳能海水淡化器件（Nature Photonics, 10, 393-398 (2016)），很大程度解决了吸收体的光学损耗问题；随后通过二维水通道的设计来实现吸收体与水体的间接接触，大大降低了器件向水体的热传导损耗（PNAS, 113, 13953-13958 (2016)）。

近期，该课题组着力于最大限度地解决在实际应用中太阳能入射角不断变化带来的光学损耗和热学损耗（热传导，热对流和热辐射）问题并取得了很好的进展。这项最新的研究成果以“Three-dimensional artificial transpiration for efficient solar waste water treatment”为题发表于《国家科学评论》（National Science Review）。

【图文导读】

图1 不同太阳能蒸汽发生器原理图

(a) 传统的光-热(蒸汽)转化器件示意图

(b) 三维(3D)人工蒸腾器件示意图

(c-e) 吸收体、水扩展层和一维水路径的电镜图

图2 不同的太阳能蒸汽发生器的温度分布图

(a-c) 二维直接接触、二维间接接触和三维人工蒸腾器件图片

(d-f) 光照前，氧化石墨烯层的温度

(g-i) 30min太阳光照条件后，氧化石墨烯层的温度

图3 光照条件下，太阳能蒸汽发生器的性能

(a) 光照和非光照条件下，二维直接接触蒸腾器件质量随时间变化曲线

(b) 光照和非光照条件下，二维间接接触蒸腾器件质量随时间变化曲线

(c) 光照和非光照条件下，三维人工蒸腾器件质量随时间变化曲线

(d) 室外阳光照射条件下，二维直接接触、二维间接接触和三维人工蒸腾器件

图4 太阳能废水处理的两种途径

(a) 处理前后不同金属离子浓度，蓝色线参考世界卫生组织的饮用水标准

(b) 不同pH条件处理前后铜离子浓度

(c) 三维人工蒸腾器件稳定的循环性能，处理铅离子污染水50个循环，每个循环持续1h

(d) 照射时间内纯化水的输出量

【小结】

该工作首次提出并实现了“人工蒸腾”结构，突破传统二维平面器件的局限，设计出三维的空心锥形结构，大大缓解了器件在真实环境中对太阳光入射角的依赖性。同时，有效地降低了器件的蒸发温度，进而有效控制了热对流和热辐射的损耗。“人工蒸腾”结构的另一个优势是通过一维的供水通道有效控制热传导损耗，从而首次实现了无外界辅助、正常光照条件下85%以上的光-蒸汽转换效率。在应用层面，该工作首次将界面光-蒸汽转换拓展到重金属污水处理上。实验结果表明：该技术不仅可以得到符合饮用标准的水，同时也可有效的回收重金属（如金，铜等），为高效的太阳能光-热（蒸汽）的利用和发展提供新的思路。