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反重力运输得回宏大打破——中邦科学家研制出
时间:2020-01-13 02:46 来源:太阳城真人,太阳城真人app 点击:

  让水逆着重力向上流动是人类工程学的一项重大成就,但树木已经掌握了数亿年。一项新的研究中,研究人员设计了一种以树木为灵感的水运输系统,它利用毛细管力将脏水通过一种分层结构的气凝胶向上推进,在气凝胶中,脏水可以通过太阳能转化为水蒸气,产生新鲜洁净的水。

  由浙江科技大学的刘爱萍和浙江大学的郝白领导的研究人员,在最近一期的ACS Nano上发表了一篇关于新型输水和太阳能蒸汽发电方法的论文。在未来,高效的输水方式在水净化和海水淡化方面具有潜在的应用前景。

  “我们的制备方法是通用的,可以工业化,”刘告诉“我们的材料具有优异的性能和良好的稳定性,可以多次重复使用。这为未来大规模海水淡化和污水处理提供了可能。”

  该新系统由两个主要组件组成:一个长、多孔、超轻的气凝胶来输送水,以及气凝胶顶部的碳纳米管层来吸收阳光并将水转化为蒸汽。该系统被封装在一个玻璃容器中。由于毛细力的作用,水在气凝胶中向上通过孔隙,毛细力是由水分子与孔隙内表面的粘附作用引起的。一旦水到达顶部,太阳能加热的碳纳米管层将水加热成蒸汽,留下任何污染物。蒸汽凝结在周围玻璃容器的两侧,形成水滴,水滴流到容器的底部,进入一个蓄水池收集。

  这种设计与植物使用的非常相似。植物含有许多微小的木质部导管,它们通过枝叶从地面吸收水分——有时高达数百英尺。一旦水到达叶子,太阳辐射使水通过叶子上的小孔蒸发,类似于碳太阳能蒸汽发生器。

  重建一个高效的树状水运系统是一项挑战,之前的大多数尝试都显示出相对较慢的运输速度,较短的运输距离,以及在运输污水和海水时性能低于清洁水。通过新的气凝胶设计,研究人员展示了所有这些方面的改进,在头5分钟内实现了10厘米的上升流动性能,3小时后达到28厘米。该系统同样适用于洁净水、海水、污水和沙质地下水。此外,该集热器实现了高达85%的高能量转换效率。

  改进的关键是气凝胶结构的精心设计。为了制造这种材料,研究人员将气凝胶成分倒入铜管中,然后对铜管进行温度梯度处理,铜管的冷端温度为零下90摄氏度。这导致冰晶沿着温度梯度在气凝胶内以一种模式生长。冻干后的气凝胶呈现出放射状通道、微孔、内表面起皱和分子网格的分层结构。这些微小的结构都有助于气凝胶的良好性能。

  “我们希望进一步优化实验方案,并进行大规模生产,”刘说。“我们亦希望能进一步改善输水的长度、输水的速度和收集水的效率,以便更好地进行实际应用。”


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