研究團隊展示可高效蒸騰凈水的合成樹

通過太陽能來蒸餾,是從臟污與鹹水中生產飲用水的一個非常實用的方法。但在生產效率方面,傳統方案仍有很大的改進空間。好消息是,受紅樹林啟發,弗吉尼亞理工大學的一支研究團隊,剛剛開發出了一種能夠增強暴晒蒸發和集水效果的“人工合成樹”。其特點是模仿了將水從植物根莖部位,向上輸送到葉子的自然過程。

1.jpeg

研究配圖 – 1:實驗裝置示意(來自:AIP)

早在幾十年前,就已經有人提出了太陽能蒸餾器的基本設計。首先,我們需要用吸收材料來吸水。接着使之被陽光加熱,並將水蒸氣散發到空中。最後通過斜面天花板,讓水蒸氣凝結併流入收集盤。

儘管外形千變萬化,但蒸餾凈水的工藝本質還是大同小異。比如我們可以換用不同的材料,以更好地吸收水分或熱量(包括海綿狀碳材料、紙尿褲、氣凝膠、或塗抹特殊的黑色聚合物)。

2.jpeg

研究配圖 – 2:合成樹組裝示意

這些裝置中的大多數,都利用了毛細效應。在內部凝聚力的推動下,液體可通過粘附在邊緣並向上推動其它分子,以爬過狹窄的空間。不過這種方法的一大短板,就是難以高效地拓展規模。

弗吉尼亞團隊的新研究,則放眼於尋找大自然中更高效的吸水系統。據悉,毛細作用僅在植物的水分運輸中佔據很小的一部分,大部分都是通過蒸騰作用而移動的。

3.jpeg

研究配圖 – 3:蒸發 / 冷凝 / 轉化效率比較

在此過程中,植物可從根部、樹榦和樹枝部分有效吸收水分,並通過葉片以水蒸氣的形式排出。具體說來是,蒸騰作用涉及一種吸力,由植物周圍空氣中較低的水勢驅動。

這會促使水分子從植物轉移到空氣中,從而增加植物內部的水分子張力、並將之向上拉。從理論上講,這種機制能夠將水泵送到所需的任意高度。

基於此,該校團隊設計出了一套利用蒸騰作用的“合成樹”,具體由 19 根高 6 厘米(2.4 英寸)、內徑僅 3.175 毫米(0.1 英寸)的塑料管製成。

4.jpeg

研究配圖 – 4:塗抹材料與否的 Laplace 負壓絕對值比較

通過將水拉抬到一個表面積為 22.9 cm²(3.5 in²)石墨塗層多孔陶瓷盤上,合成樹就能夠像葉子一樣,實現高效的蒸騰作用。

研究人員指出,與使用大容量儲罐的傳統方案相比,這種合成樹能夠吸收三倍水量。接下來,他們希望測試更高的版本、增加更多的葉片、以及嘗試通過半透膜來過濾其中的鹽分。

最後,有關這項研究的詳情,已經發表在近日出版的《應用物理快報》(Applied Physics Letters)上。

原標題為《Technology could make the renewable energy source a more viable choice.》。

(0)
上一篇 2021-06-23 20:27
下一篇 2021-06-23 20:27

相关推荐