近日，上海交通大学赵斌元副教授课题组与伦敦城市大学乔治丹尼斯助理教授吴卫平博士课题组、牛津大学材料系Robert Bradley教授合作，在清洁能源海水淡化方面取得了重要进展，在《先进功能材料》（《Advanced Functional Materials》）上发表相关论文，发明了以地质聚合物和生物质介孔碳复合材料为基础的太阳能风能海水淡化装置。
随着日益增长的需求和气候环境的变化，全球淡水资源目前面临巨大的压力，而且这种趋势日益加剧。尽管水处理技术得到了较大的发展，但海水淡化仍是目前可提供的最有效的长期解决方案。目前，反渗透膜和蒸汽蒸发是海水淡化中最常用的两种技术，但是耗能大，成本高，对于很多国家和地区都是较重的经济负担。
最近，利用太阳能进行海水淡化的技术被多次证明是一种新颖、清洁且可持续再生的方法，它有效的利用了低品质能源。太阳能海水淡化技术，最大的挑战是开发一种光热转化效率高，易于制备，可以实现大面积生产且廉价的新材料。将太阳能转化为可利用的高效热能，并可以实现规模化以解决实际问题。
图1. 地质聚合物介孔碳复合结构用于光热海水蒸发设计示意图
上海交通大学赵斌元副教授课题组与合作方，他们共同研制出了以地质聚合物和生物质介孔碳复合材料为基础的太阳能风能海水淡化装置。其核心是利用大孔结构的地质聚合物进行水传导，利用生物质介孔碳作为吸收太阳能，通过这两种环保材料的组合，形成了结构和外形可控，且具有良好的机械强度，可进行机械加工的材料形成光热蒸发装置。在一个标准太阳光照射下，转化效率为84.97%，每平方米每小时可获得1.58升淡水。
图2. 扫描电子显微镜SEM和透射电镜TEM照片
生物质多孔碳由生物质秸秆制成，可制备成成型结构，具有35 MPa的抗压强度，抗弯强度14 MPa，比表面积约470 m2/g, 孔尺寸3 nm - 5 nm，在超宽太阳光谱（400 nm - 2500 nm）范围内具有较高的光吸收效率（平均92%-95%），这保证了较高的能量传递效率。地质聚合物孔径约10 um – 20 μm，亲水性良好，利用毛细作用可以将底部的水快速传输到顶部热区，导热系数低（0.15-0.48 W m-1 K-1），有效的实现了水的传输及热量的管理。
图3. 光热蒸发的温度场分布和风增强的光热蒸发效果图
此外，文章还研究了利用微弱的风能，在蒸发层上方快速形成蒸汽负压，加速水蒸气的蒸发和逃逸。在1个太阳能，3m/s的风速下，蒸发效果显著增强，每平方米每小时可以实现7.55升淡水。所采用的材料具有成本低廉，性能稳定，环境友好等优势，可持续、经济、大规模地生产清洁水。
该项研究发表《Low Cost, Robust, Environmentally Friendly Geopolymer–Mesoporous Carbon Composites for Efficient Solar Powered Steam Generation》的论文，获得了审稿人高度评价，并被《先进功能材料》选为封面，课题组博士生刘丰华为论文的第一作者。该项目获得了英国创新署(Innovate UK, Grant 104013)和上海市科委(STCSM, Grant 17230732700)的资助。
作者： 刘丰华
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