北理工課題組在太陽(yáng)能海水淡化領(lǐng)域取得重要進(jìn)展
發(fā)布日期：2023-09-04 供稿：機(jī)車學(xué)院 祝子夜 攝影：機(jī)車學(xué)院
編輯：劉超凡 審核：席軍強(qiáng) 閱讀次數(shù)：
近日，北京理工大學(xué)機(jī)械與車輛學(xué)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(duì)逆向蒸餾過(guò)程中結(jié)鹽的問(wèn)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(yáng)能蒸餾方法,，在海水淡化過(guò)程中同時(shí)實(shí)現(xiàn)了高效率蒸餾和可持續(xù)抗鹽,，有助于推動(dòng)逆向蒸餾系統(tǒng)可持續(xù)、規(guī)?；膶?shí)際應(yīng)用,。北京理工大學(xué)為論文的唯一署名單位，機(jī)械與車輛學(xué)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(yáng)能海水淡化是緩解全世界范圍內(nèi)淡水短缺的有效方法,，同時(shí)助力于碳中和目標(biāo)的實(shí)現(xiàn),。近期,，由太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)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(zhuǎn)化效率遠(yuǎn)超傳統(tǒng)太陽(yáng)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(dǎo)致了海水中的鹽離子在蒸發(fā)材料表面結(jié)晶，影響了系統(tǒng)的可持續(xù)性,，嚴(yán)重阻礙了其長(zhǎng)期大規(guī)模的實(shí)際應(yīng)用。為此,，文章提出了一種基于水層逆向蒸發(fā)的太陽(yáng)能蒸餾方法,。在這項(xiàng)工作中，使用太陽(yáng)能吸收器,、微孔疏水膜,、不銹鋼支撐網(wǎng)形成一個(gè)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(shí)實(shí)現(xiàn)逆向蒸發(fā)功能和抗鹽功能,。一個(gè)位于高處的供水體通過(guò)連通的管路在重力的驅(qū)動(dòng)下自動(dòng)地給水層持續(xù)補(bǔ)水。水層的上方和下方分別設(shè)置透明的對(duì)流蓋板和冷凝鋁板以分別實(shí)現(xiàn)隔熱和冷凝功能,。此外,，將多個(gè)水層疊層放置形成具有回?zé)峁δ艿亩嗉?jí)逆向蒸餾結(jié)構(gòu)。
圖1. 太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)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(guò)程中，作者明確了影響系統(tǒng)熱性能的三個(gè)關(guān)鍵參數(shù)：頂部空氣層厚度,、水層厚度以及傳質(zhì)層厚度,，并建立了一套理論模型，以能量轉(zhuǎn)化效率為目標(biāo)來(lái)優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù),。其中,，水層厚度在影響系統(tǒng)熱性能的同時(shí)也影響著發(fā)生結(jié)鹽的風(fēng)險(xiǎn)。水層厚度越大,，發(fā)生結(jié)鹽的風(fēng)險(xiǎn)越低,，但與此同時(shí)能量轉(zhuǎn)化效率會(huì)更低。因此,，需要權(quán)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?qū)崿F(xiàn)抗鹽功能。事實(shí)上,，水層相比親水材料的最大優(yōu)勢(shì)在于水自由流動(dòng)的特點(diǎn),。在水層中，通過(guò)重力可以便捷地誘發(fā)水層內(nèi)部各處具有不同鹽度的水的流動(dòng),。針對(duì)這一特點(diǎn)開(kāi)發(fā)出了兩種抗鹽和排鹽的運(yùn)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(gòu)建水層內(nèi)部的鹽水流動(dòng),，實(shí)現(xiàn)抗鹽和排鹽的功能。
圖2. 單級(jí)裝置實(shí)驗(yàn)與仿真 (a)-(c) 三種運(yùn)行模式,；(d)-(f) 鹽度實(shí)驗(yàn)結(jié)果,；(g)-(i) 蒸發(fā)表面鹽度仿真結(jié)果
研究揭示了逆向蒸餾系統(tǒng)發(fā)生結(jié)鹽的機(jī)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(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,，單級(jí)蒸餾裝置在常規(guī)3.5 wt%鹽水環(huán)境下實(shí)現(xiàn)了60.6 %的太陽(yáng)能到水的轉(zhuǎn)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(jí)水層回?zé)峤Y(jié)構(gòu)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(jí)水層中都成功實(shí)現(xiàn)了抗鹽功能,。
圖3. 10級(jí)裝置實(shí)驗(yàn) (a) 10級(jí)裝置結(jié)構(gòu)原理；(b) 室內(nèi)實(shí)驗(yàn)結(jié)果,；(c) 10級(jí)裝置,；(d) 室外實(shí)驗(yàn)結(jié)果；(e) 室內(nèi)實(shí)驗(yàn)平臺(tái),；(f) 產(chǎn)水與鹽度結(jié)果,；(g) 溫度結(jié)果；(h) 室外實(shí)驗(yàn)平臺(tái)
研究從熱質(zhì)傳遞,、流體流動(dòng)的角度對(duì)太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)的逆向蒸餾系統(tǒng)提出了新的見(jiàn)解,，解決了目前高效逆向蒸餾系統(tǒng)中難以克服的結(jié)鹽問(wèn)題，極大地促進(jìn)了逆向蒸餾系統(tǒng)可持續(xù),、規(guī)?；膶?shí)際應(yīng)用，有助于推動(dòng)這類海水淡化系統(tǒng)投產(chǎn)落地,。未來(lái),，對(duì)于太陽(yáng)能蒸餾系統(tǒng)，在開(kāi)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(shí),，還可以重點(diǎn)開(kāi)發(fā)新的蒸餾模式,，設(shè)計(jì)新系統(tǒng)并探索新結(jié)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)新的功能,、追求卓越性能,。
上述研究工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金、北京市自然科學(xué)基金,、北京理工大學(xué)學(xué)術(shù)啟動(dòng)計(jì)劃項(xiàng)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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