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“黑纸”造出超低价太阳能蒸馏器，或可解决饮用水难题
饮用水资源枯竭和卫生条件恶化是全球人类面对的严峻挑战之一。有预测称，到了2025年，世界上将有半数的国家面临淡水资源紧张的严峻形势，而到2050年，世界上75%的人口将面临水资源短缺的困境。因此，提升水资源供给能力和研发消毒净化技术就显得至关重要。目前，在水资源净化和海水淡化领域中，反渗透膜分离技术占据主导地位。然而，该方法不但成本高，对环境影响也比较大。因此，有必要开发一种既能满足实际需要，又符合“可持续”原则的水资源净化方案。为解决这一需求，世界各国的研究者都在研发新技术，其中，太阳能蒸馏器就是目前最有前景的技术之一（点击阅读相关）。
近日，纽约州立大学布法罗分校的甘巧强课题组和复旦大学的江素华课题组等合作，设计出一种便携式太阳能蒸馏器。该系统不需要昂贵笨重的光学聚焦组件，通过使用价格低廉的炭黑粉末、亲水多孔纸张和聚苯乙烯泡沫塑料制成的“黑纸”，可以使太阳能转换效率达到88%（太阳能的88%都被用于蒸发水）。这使得1平方米大小的这种装置在太阳光下每小时可纯化1升左右的水，而且无需光学装置聚光，这一速度是当前商用装置的数倍。更重要的是，这种装置的原材料成本小于2美元每平方米，极具大规模推广的市场前景。该工作发表于Global Challenges杂志，并被Science网站作为亮点报道（DOI: 10.1126/science.aal0699）。
太阳能蒸馏器装置示意图，图片来源：Science
这里简单介绍一下Wiley旗下的新杂志——Global Challenges，此期刊将着眼于五大领域：气候变化领域，能源领域，水资源领域，全球保健领域，食品、农业及营养领域。这是继Advanced Science之后，Wiley公司推出的又一个开放性期刊（不过，开放性期刊的版面费真心好贵呀~~~）。去年，Advanced Science刚刚有了首个影响因子——6.0，今年的影响因子还会上升，不知道跨学科杂志Global Challenges今后的表现如何。
太阳能蒸馏器的发展历史久远，最早，太阳能蒸馏器由盛满水的黑底容器组成，黑色材料吸收太阳光使水蒸发。然而，大部分太阳能用来加热整个容器的水，使得效率极低。近年来，研究人员通过改进设计，使容器上层的水被加热蒸发，并利用纳米材料增加太阳能的吸收。虽然提高了效率，但高昂的成本限制了技术的发展。
在本篇研究中，研究者选用涂有碳黑的无纺纸作为核心部件，可以吸收约98%的可见光和近红外光（250 nm至2.5 μm），起到了良好的吸收太阳光的效果。无纺纸向下折叠，以便浸入水中，利用毛细作用可以使纸张吸水浸透。无纺纸周围通过聚苯乙烯塑料隔热。在太阳模拟器的照射下，2 cm×2 cm的无纺纸表面温度从32.9度升高至44.2度。
涂有碳黑的无纺纸及其光照温升实验，来源：Global Challenges
随后，研究者将无纺纸组成5×5的阵列，盖上透明的亚克力罩子，便携式太阳能蒸馏器就制成了。经试验，每平米该装置的蒸发速率可以达到1.275 kg/h，是主流商用产品的约2.4倍。如果将一个有效面积为0.342 m2的太阳能蒸馏器，直接放在Lasalle湖中，选择阳光明媚和阴云密布两种不同天气，装置的产水效率分别可以达到0.832和0.344 kg (m2 d)−1。应该指出的是，由于该装置不需要任何特殊的微/纳米加工过程，也没有引入太阳能聚光器，因此系统的成本极低，约为每平方米1.6美元（如批量生产这一数字可能还会下降）。
太阳能蒸馏器装置实物图及户外实验，来源：Global Challenges
该技术“能够帮助人们自己制取饮用水，就像他们通过屋顶的太阳能电池板发电一样方便。”纽约州立大学布法罗分校的访问学者、复旦大学刘哲郡博士（本文一作）说。
这种低成本的便携式太阳能蒸馏器对于水净化有着重要的意义，尤其对发展中国家和地区特别有吸引力，可以为成千上万饱受饮用水匮乏之苦的人们提供洁净的水源。
或许有一天，灾难片也可以这么拍，飞机坠毁在海上，没有淡水……这时，突然有人翻出了一个便携式太阳能蒸馏器……后续情节请自行脑补……
原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：
Extremely Cost-Effective and Efficient Solar Vapor Generation under Nonconcentrated Illumination Using Thermally Isolated Black Paper
Global Challenges, 2017, 1, 1600003, DOI: 10.1002/gch2.201600003
部分内容编译自：
http://www.sciencemag.org/news/2017/02/sunlight-powered-purifier-could-clean-water-impoverished
（本文由小希供稿）