北理工課題組在太陽能海水淡化領域取得重要進展
發(fā)布日期：2023-09-04 供稿：機車學院 祝子夜 攝影：機車學院
編輯：劉超凡 審核：席軍強 閱讀次數(shù)：
近日,，北京理工大學機械與車輛學院鄭宏飛教授課題組在《Nature》子刊《Nature Water》上發(fā)表文章“Passive solar desalination towards high efficiency and salt rejection via a reverse-evaporating water layer of millimetre-scale thickness”。論文針對逆向蒸餾過程中結鹽的問題,，從工程熱物理的傳統(tǒng)工科角度,，不采用任何昂貴新材料或催化劑等，提出了一種基于水層逆向蒸發(fā)的太陽能蒸餾方法,，在海水淡化過程中同時實現(xiàn)了高效率蒸餾和可持續(xù)抗鹽,，有助于推動逆向蒸餾系統(tǒng)可持續(xù)、規(guī)?；膶嶋H應用,。北京理工大學為論文的唯一署名單位，機械與車輛學院博士研究生祝子夜為論文的第一作者,，熊建銀研究員,、孔慧副研究員和馬興龍副研究員為論文的共同通訊作者。
太陽能海水淡化是緩解全世界范圍內淡水短缺的有效方法,，同時助力于碳中和目標的實現(xiàn),。近期，由太陽能驅動的逆向蒸餾方式展現(xiàn)出了令人驚嘆的產(chǎn)水性能,，其能量轉化效率遠超傳統(tǒng)太陽能蒸餾方式,。然而，現(xiàn)有逆向蒸餾系統(tǒng)的高蒸發(fā)速率導致了海水中的鹽離子在蒸發(fā)材料表面結晶,，影響了系統(tǒng)的可持續(xù)性,，嚴重阻礙了其長期大規(guī)模的實際應用。為此,，文章提出了一種基于水層逆向蒸發(fā)的太陽能蒸餾方法,。在這項工作中，使用太陽能吸收器,、微孔疏水膜,、不銹鋼支撐網(wǎng)形成一個具有一定厚度的穩(wěn)定水層。這一水層替代了以往研究逆向蒸餾系統(tǒng)中的親水材料,，同時實現(xiàn)逆向蒸發(fā)功能和抗鹽功能,。一個位于高處的供水體通過連通的管路在重力的驅動下自動地給水層持續(xù)補水。水層的上方和下方分別設置透明的對流蓋板和冷凝鋁板以分別實現(xiàn)隔熱和冷凝功能,。此外,，將多個水層疊層放置形成具有回熱功能的多級逆向蒸餾結構。
圖1. 太陽能驅動的蒸餾模式 (a)傳統(tǒng)蒸餾,；(b)基于親水材料的逆向蒸餾,；(c)基于水層的逆向蒸餾
在研究過程中，作者明確了影響系統(tǒng)熱性能的三個關鍵參數(shù)：頂部空氣層厚度,、水層厚度以及傳質層厚度,，并建立了一套理論模型，以能量轉化效率為目標來優(yōu)化結構參數(shù),。其中,，水層厚度在影響系統(tǒng)熱性能的同時也影響著發(fā)生結鹽的風險,。水層厚度越大，發(fā)生結鹽的風險越低,，但與此同時能量轉化效率會更低,。因此，需要權衡水層厚度,，考慮如何在水層厚度盡可能小的情況下也能夠實現(xiàn)抗鹽功能,。事實上，水層相比親水材料的最大優(yōu)勢在于水自由流動的特點,。在水層中,，通過重力可以便捷地誘發(fā)水層內部各處具有不同鹽度的水的流動。針對這一特點開發(fā)出了兩種抗鹽和排鹽的運行模式,，將原本水平放置的裝置向上方和下方分別傾斜以構建水層內部的鹽水流動,，實現(xiàn)抗鹽和排鹽的功能。
圖2. 單級裝置實驗與仿真 (a)-(c) 三種運行模式,；(d)-(f) 鹽度實驗結果,；(g)-(i) 蒸發(fā)表面鹽度仿真結果
研究揭示了逆向蒸餾系統(tǒng)發(fā)生結鹽的機理并以可視化的方式詮釋了基于水層的逆向蒸餾裝置抗鹽與排鹽的原理。實驗結果表明,，單級蒸餾裝置在常規(guī)3.5 wt%鹽水環(huán)境下實現(xiàn)了60.6 %的太陽能到水的轉化效率,，并在21 wt%濃鹽水環(huán)境下以47.4 %的效率可持續(xù)地蒸餾。具有10級水層回熱結構的裝置在常規(guī)3.5 wt%鹽水環(huán)境下取得了354 %的高效率,，并在每一級水層中都成功實現(xiàn)了抗鹽功能,。
圖3. 10級裝置實驗 (a) 10級裝置結構原理；(b) 室內實驗結果,；(c) 10級裝置,；(d) 室外實驗結果；(e) 室內實驗平臺,；(f) 產(chǎn)水與鹽度結果,；(g) 溫度結果；(h) 室外實驗平臺
研究從熱質傳遞,、流體流動的角度對太陽能驅動的逆向蒸餾系統(tǒng)提出了新的見解，解決了目前高效逆向蒸餾系統(tǒng)中難以克服的結鹽問題,，極大地促進了逆向蒸餾系統(tǒng)可持續(xù),、規(guī)模化的實際應用,，有助于推動這類海水淡化系統(tǒng)投產(chǎn)落地,。未來，對于太陽能蒸餾系統(tǒng),，在開發(fā)新材料不斷突破效率瓶頸和改善系統(tǒng)可持續(xù)性的同時,，還可以重點開發(fā)新的蒸餾模式,，設計新系統(tǒng)并探索新結構，以實現(xiàn)新的功能,、追求卓越性能,。
上述研究工作得到國家自然科學基金、北京市自然科學基金,、北京理工大學學術啟動計劃項目等支持,。
原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s44221-023-00125-1
論文詳情:Ziye Zhu, Hongfei Zheng, Hui Kong*, Xinglong Ma*, Jianyin Xiong*. Passive solar desalination towards high efficiency and salt rejection via a reverse-evaporating water layer of millimetre-scale thickness. Nature Water (2023). https://doi.org/10.1038/s44221-023-00125-1
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