精選煤質(zhì)顆粒活性炭生產(chǎn)廠家受魚群效應(yīng)啟發(fā)的太陽(yáng)能水鹽分離器件

　　精選煤質(zhì)顆粒活性炭廠家受魚群效應(yīng)啟發(fā)的太陽(yáng)能水鹽分離器件。隨著農(nóng)業(yè)和工業(yè)的發(fā)展，大量的淡水資源被消耗或污染，水危機(jī)成為全球面臨的最嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)之一，水處理技術(shù)受到廣泛關(guān)注。

　　對(duì)于水處理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)水和溶質(zhì)的完全分離(zero liquid discharge，ZLD)，以最大程度的回收資源是終極目標(biāo)。然而目前一些商用的水鹽分離技術(shù)，如濃縮/結(jié)晶法需消耗巨大電能，且產(chǎn)生大量的碳排放。因此亟需尋找高效、環(huán)境友好的水鹽分離技術(shù)。

　　近年來(lái)，基于太陽(yáng)能界面光熱蒸發(fā)的水處理技術(shù)受到廣泛關(guān)注。其可通過(guò)吸收太陽(yáng)能并轉(zhuǎn)化為熱能局域在水-氣界面，產(chǎn)生高效水蒸發(fā)，實(shí)現(xiàn)水處理過(guò)程。

　　該技術(shù)具有低碳環(huán)保，無(wú)需額外能量輸入的優(yōu)點(diǎn)，在水鹽分離領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大潛力。然而，在基于界面光熱蒸發(fā)的水鹽分離過(guò)程中，鹽濃度達(dá)到飽和，器件結(jié)鹽結(jié)垢問(wèn)題嚴(yán)重。這會(huì)嚴(yán)重遮擋太陽(yáng)光的吸收、阻礙水的充足供應(yīng)，使得光熱轉(zhuǎn)化效率衰減迅速，甚至導(dǎo)致器件的失效。

　　為克服上述問(wèn)題，該領(lǐng)域科學(xué)家們已發(fā)展了一些減緩鹽析出、定點(diǎn)鹽析出的材料/結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，但大面積、可自清潔的水鹽分離過(guò)程仍難以實(shí)現(xiàn)。

　　在本研究工作中，研究者們受魚類易聚集成群、協(xié)同聯(lián)動(dòng)的特性的啟發(fā)，設(shè)計(jì)了一種由聚苯乙烯(EPS)核/氧化石墨烯(GO)殼的光熱小球聚集而成的水鹽分離器件(圖1)。

　　這些漂浮在水面的親水光熱小球可在表面張力水平分力的驅(qū)動(dòng)下加速靠近，并自聚集成熱局域的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，有效降低熱傳導(dǎo)損耗，獲得較高的界面光熱蒸發(fā)效率(圖2)。

　　在太陽(yáng)能水處理過(guò)程中，鹽顆粒傾向在小球上端蒸發(fā)較快的液層內(nèi)形核、生長(zhǎng)。當(dāng)鹽顆粒施加的轉(zhuǎn)矩打破小球的力平衡狀態(tài)時(shí)，小球轉(zhuǎn)動(dòng)，鹽顆粒滑落，從而完成自清潔過(guò)程(圖3);同時(shí)，相鄰小球因表面張力存在相互作用，一球的轉(zhuǎn)動(dòng)可通過(guò)摩擦力觸發(fā)相鄰小球的轉(zhuǎn)動(dòng)和自清潔行為，從而完成多球聯(lián)動(dòng)的自發(fā)轉(zhuǎn)動(dòng)和自清潔過(guò)程(圖3)。

　　這種“類似魚群”的EPS/GO多球系統(tǒng)，因其自聚集特性，可自組裝為大面積水處理器件，并具有聯(lián)動(dòng)自清潔的特性，可在一個(gè)太陽(yáng)下處理飽和鹽水過(guò)程中，實(shí)現(xiàn)高于90%的太陽(yáng)蒸汽轉(zhuǎn)換效率和高達(dá)0.39 kg m-2 h-1的產(chǎn)鹽速率，從而實(shí)現(xiàn)低能耗、低碳排放的水鹽的完全分離(ZLD)。

　　圖1. 受魚群效應(yīng)啟發(fā)的自聚集、自清潔的太陽(yáng)能水鹽分離器件。a，魚類趨向于聚集成群，且魚群行為通常一致化。b和c，EPS/GO光熱小球在水面上可自聚集成熱局域的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)， 且在太陽(yáng)能水處理過(guò)程中可實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)的自發(fā)旋轉(zhuǎn)和自清潔過(guò)程。

　　圖2. 光熱小球在表面張力作用下的自聚集過(guò)程，及其熱局域特性。a，光熱小球在水面加速靠近的原理分析圖。b-d，小球的加速自聚集過(guò)程。e和f，自聚集的光熱小球在表面張力下可形成有相互作用力的整體。g和h，自聚集的光熱小球系統(tǒng)具有更好的熱局域特性。

　　圖3. 光熱小球的自發(fā)轉(zhuǎn)動(dòng)和自清潔過(guò)程。a和b，光熱小球在太陽(yáng)光和暗場(chǎng)下的紅外照片，顯示出小球上端液面蒸發(fā)較快。c，光熱小球自旋轉(zhuǎn)的原理分析圖。d，單個(gè)小球的自發(fā)旋轉(zhuǎn)和自清潔過(guò)程。e，多球聯(lián)動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程的力學(xué)分析圖。f，多球系統(tǒng)自發(fā)聯(lián)動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)和自清潔的照片。g，多球系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)行為統(tǒng)計(jì)圖。

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