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海中种树取水?不是不可能

由蒸腾作用供能的合成树。

联合国的统计数据显示,全球约22亿人缺乏可靠的清洁饮用水源,而气候变化正使这一现实问题进一步恶化。太阳能蒸汽发电(SSG)作为一种极具前景的可再生能源技术,可用于集水、海水淡化及净化,从而造福偏远社区、灾害地区和发展中国家急需饮用水的人群。当地时间6月22日,美国弗吉尼亚理工大学的研究人员在《应用物理快报》发文,阐述了由他们研发的一种能增强SSG效应的合成树。

简单来说,SSG指将太阳能转化为热能,其过程是:漂浮的小型多孔柱会先不断地将水从储罐中吸出,而水一旦到达光热材料层,就会被蒸发,蒸汽进而凝结成饮用水。提高SSG效率的主要挑战之一是,当补水速度不够快(不能与蒸发速度保持一致)时,毛细管吸力在水面达到一定柱高时便面临极限。在沿海地带红树林的启发下,研究人员绕过了这一障碍,打造了一棵合成树。它以蒸腾作用取代了毛细管作用。蒸腾作用是水在植物中移动,并最终从叶、茎和花中蒸发的过程。在这一作用下,水可以被抽到任何高度。在真正的树木中,蒸腾作用始于根部,根部靠由木质部组织形成的中空导管来吸收水分。当水变暖时,它就会以水蒸气的形式通过叶背的气孔释放。

这棵合成树由19个管阵列组成,表面覆盖着充当“树叶”的纳米多孔陶瓷圆盘。每根塑料管模仿木质部导管形态,高6厘米,内径为3.175毫米。这种装置让蒸发界面与水箱中的重力水实现热分离,所以蒸发器并不会变得干燥。从圆盘上蒸发的水则借助吸力补充,吸力不断从底部水箱泵出更多水注入管阵列。

该论文的作者之一Jonathan Boreyko展望道:“我们希望这种衍生自树木的太阳能蒸汽发生器能够应用于地下水的提取和净化。我们的最终目标是实现足够大的吸入压力,让海水通过除盐过滤器,而不需要使用机械泵,就像红树林能在海水中生长一样。”

未来,研究人员或许将专注于制造更高的合成树,通过增加“树叶”来提高蒸发的发生面积,并在管道入口设置若干层淡化膜,以防止盐分的积累。

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编译:朱明逸 审稿:西莫 责编:陈之涵

期刊来源:《应用物理快报》

期刊编号:0003-6951

原文链接:https://phys.org/news/2021-06-synthetic-tree-solar-steam-harvesting.html

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