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时隔4个月,余桂华/赵飞教授又一重大突破!《AM》:高产量、低成本的太阳能净水系统——商用近在眼前

高分子科学前沿

作者|高分子科学前沿 来源|高分子科学前沿(ID:Polymer-science)

近年来,全球提倡绿色环保,我国更是明确将“美丽”作为建设社会主义现代化强国的目标和标志之一。太阳能蒸汽发电(SVG)净水技术由于具有较高的太阳能-热能转换效率,已被广泛用于水与非挥发性污染物分离。然而,由于蒸发界面附近的局部湿度较高,抑制了蒸汽的产生,因此将SVG水净化技术用于淡水生产受到了限制。

为改善这一现状,美国德克萨斯大学奥斯汀分校余桂华/赵飞教授和深圳大学赵辰阳特聘副研究员合作将水凝胶基超薄薄膜(HUM)材料用于协同太阳能驱动膜蒸馏过程,促进了蒸汽转移和环境能量收集。研究表明蒸汽收集率高达80%,在太阳下可获得产水量高达2.4 kg m–2 h–1。淡水生产的潜在竞争成本低至0.3–1.0 美元·m–3。自去年11月该团队发表用于太阳能蒸发器中的新型水凝胶材料一文后,时隔4个月,又在太阳能净水材料方面取得重大突破。该研究以“High-Yield and Low-Cost Solar Water Purification via Hydrogel-Based Membrane Distillation”为题,发表在《Advanced Materials》上。

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【基于HUM的太阳能膜蒸馏原理设计】

如图1为基于HUM的太阳能膜蒸馏原理图,HUM允许液态水渗透到膜表面,同时阻止液态水从膜表面泄漏。因此,蒸发界面可以定位在气流侧,从根本上消除了跨膜蒸汽传输阻力和温度极化效应。此外,利用由气体流量决定的蒸发冷却效应,可以将蒸发表面的温度调节到一个较低的水平,从气体流量中直接收集能量,从而提高基于HUM的太阳能MD系统的能源效率。以环境空气为气流,在太阳(1 kW m–2)下可获得高达2.4 kg m–2 h–1的淡水产量。归功于原材料HUM的低成本(0.36 美元 m–2)及太阳能的利用,淡水生产的潜在成本低至0.3–1.0 美元 m–3。

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图1 基于HUM的太阳能膜蒸馏原理图

【材料的设计及表征】

作者将聚乙烯醇(PVA)在炭黑改性纤维素织物上原位凝胶化(图2),顶部的水凝胶层使HUM能够防止液态水流的泄漏,并允许液态水分子通过膜的渗透扩散。由于水合作用,水凝胶中的聚合物网络可以通过氢键等强相互作用捕获附近的水分子,此类水合聚合物链将限制分子孔中所含水分的其余部分,阻碍水凝胶内的潜在水流。与传统疏水膜相比,HUM的独特防水机制从根本上使基于HUM的太阳能净水系统能够将蒸发界面定位在气流侧,从而提高了性能。作者还对材料的结构进行了表征,可见凝胶层的致密结构和炭黑层的多孔结构,这种超薄水凝胶层能够充分补充水分,克服蒸发表面附近的水分损失,而炭黑层的多孔结构能够通过毛细作用将水分快速转移到水凝胶层。此外,将完全干燥的样品暴露于太阳(1 kW m–2)下, HUM的固有太阳能加热的平衡温度可达72℃,高于炭黑粉(57℃)。

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图2材料的设计和表征

【材料的性能测试】

研究人员还探究了气流对基于HUM的SVG的影响(图3),得到一个明显的现象,即气流对SVG有利。当气流速度相对较低时,HUM的温度高于气流(Tair)和给水(Tfw),表明HUM向气流和给水传热。所施加的气流可以通过增强蒸发冷却效果和抑制热损失来降低HUM和给水之间的温差。当气流速度足够高,能够使蒸发冷却,从而将THUM降低到Tair以下时,HUM将从气流中收集能量。由于热损失显著减少,单太阳太阳能效率可提高到95.7%。在给定气流条件下,太阳能输入也会影响能源效率。研究结果表明,在太阳下,暴露于25°C的气流(0.75 m s–1)时,平衡太阳能效率约为96%,SVG率为3.7 kg m–2 h–1。

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图 3 SVG性能

【本文VS现有报道中材料淡水性能优势】

此外,作者还将体系的材料与传统的PTFE基光热膜的性能做了比对(图4),基于HUM的太阳能MD系统的产水量高达2.4 kg m–2 h–1,而基于PTFE膜的系统的产水量仅为0.46 kg m–2 h–1。在不同的气流速度下,基于HUM的太阳能MD系统中潮湿气流的相对湿度较高。结果表明,提高产水量的核心原因是HUM显著增强了SVG。通过评估基于HUM的系统在0.7和1kW·m-2的太阳通量下的产水量,发现基于HUM的MD系统的产水量最高。同时,作者扩展了比较范围,使用了太阳能-水效率算法,基于HUM的太阳能MD系统实现了创纪录的高产水量,其太阳能-水效率高达75%。

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图4本文与先前报道的太阳能海水淡化系统二者淡水生产性能比较

【结论】

综上,作者提出了基于HUM的高产量、低成本太阳能净水系统,该系统实现了水凝胶蒸汽高速生成和节能蒸汽传输,在低气流速度下可达到高的蒸发率以促进淡水收集。本研究为大规模水处理提供了一种基于可持续能源的膜蒸馏策略,凭借HUM在太阳能净水系统高产量、低成本的优势,将在未来环保应用方面展现其重要的商用价值。

编者按:本文转载自微信公众号:高分子科学前沿(ID:Polymer-science)


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