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研究背景

近年來(lái)，隨著人口的增長(zhǎng)和工業(yè)化的興起，淡水資源變得非常稀缺。21世紀(jì)將是水的世紀(jì)。20世紀(jì)初，國(guó)際上就有“19 世紀(jì)爭(zhēng)煤、20世紀(jì)爭(zhēng)石油、21世紀(jì)爭(zhēng)水”的說(shuō)法。第47屆聯(lián)合國(guó)大會(huì)更是將每年的3月22日定為”世界水日”，號(hào)召世界各國(guó)對(duì)全球普遍存在的淡水資源緊缺問(wèn)題引起高度警覺(jué)。從全球范圍來(lái)看，根據(jù)聯(lián)合國(guó)統(tǒng)計(jì)，全球淡水消耗量比20世紀(jì)初以來(lái)增加了約6－7倍，比人口增長(zhǎng)速度高2倍，全球目前有14億人缺乏安全清潔的飲用水，即平均每5人中便有l(wèi)人缺水。隨著全球人口的迅速增加和人均收入水平的提高，全球淡水資源緊缺的局面正在逐漸顯現(xiàn)。如果不采取節(jié)水措施，2050 年全球淡水需求量將增長(zhǎng)兩倍，給淡水供應(yīng)帶來(lái)極大壓力。海水淡化是當(dāng)今世界競(jìng)相研究的高新技術(shù)，美、法、日、以色列等國(guó)的技術(shù)已經(jīng)非常發(fā)達(dá)，而且已形成海水淡化產(chǎn)業(yè)。

太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)的海水淡化，特別是界面太陽(yáng)能蒸汽產(chǎn)生，顯著提高了蒸發(fā)效率，提供了一個(gè)有前景的途徑，以最小的環(huán)境影響緩解水危機(jī)。先進(jìn)的界面太陽(yáng)能加熱技術(shù)節(jié)能90%以上，應(yīng)用前景廣闊。然而，蒸發(fā)需要克服水的蒸發(fā)焓(在2,455.6 kJ kg^{– 1}左右)，這大大限制了太陽(yáng)能對(duì)淡水的輸出。通常，單級(jí)太陽(yáng)能蒸餾器在1個(gè)太陽(yáng)光照下的理論水蒸發(fā)速率約為1.47 kg m^?2 h^?1。雖然已經(jīng)開(kāi)發(fā)了一些技術(shù)，如多級(jí)蒸發(fā)和低壓蒸發(fā)，以進(jìn)一步提高產(chǎn)水率，但水的蒸發(fā)焓仍然相當(dāng)大(例如，在1個(gè)太陽(yáng)光照下，10級(jí)蒸發(fā)的產(chǎn)水率為2.94 kg m^?2 h^?1)。相反，反滲透(RO)/納濾(NF)通過(guò)分離膜實(shí)現(xiàn)離子和水分子的分離，其理論熱力學(xué)能較低。熱力學(xué)恒壓反滲透過(guò)濾過(guò)程在35000 ppm鹽海水的理想能耗是1.6 kWh m^?3。在典型的水回收率為50%的RO階段，實(shí)際消耗的能量為~1.8 kWh m^?3 (6.48 kJ kg^?1)，接近熱力學(xué)極限。

成果簡(jiǎn)介

近年來(lái)，界面太陽(yáng)能蒸汽產(chǎn)生在海水淡化方面顯示出巨大的潛力，具有較高的太陽(yáng)能-蒸汽轉(zhuǎn)換效率。然而，淡水產(chǎn)量仍然受到大量的水蒸發(fā)潛熱和冷凝效率的限制。近日，南京大學(xué)朱嘉教授和南京航空航天大學(xué)李秀強(qiáng)教授等人設(shè)計(jì)了一種界面太陽(yáng)能蒸汽驅(qū)動(dòng)的反滲透/納濾裝置，該裝置產(chǎn)生高壓，推動(dòng)水分子通過(guò)過(guò)濾膜，以實(shí)現(xiàn)與離子的分離。太陽(yáng)能蒸汽驅(qū)動(dòng)的反滲透裝置在12個(gè)太陽(yáng)光照下的產(chǎn)水率高達(dá)81 kg m^?2 h^?1。此外，理論模型表明，通過(guò)優(yōu)化裝置的保溫和膨脹比，仍有進(jìn)一步提高淡水產(chǎn)量的可觀空間。這項(xiàng)工作為設(shè)計(jì)高效的小型化或分散式飲用水裝置開(kāi)辟了新途徑。這項(xiàng)工作以“Solar steam-driven membrane filtration for high flux water purification”為題發(fā)表在國(guó)際頂級(jí)期刊《Nature Water》上。

圖文導(dǎo)讀

圖1 SSD-RO/NF系統(tǒng)的原理圖和理論產(chǎn)水率

圖2 SSD-RO/NF裝置的設(shè)計(jì)與搭建

本文首先將界面太陽(yáng)能蒸汽發(fā)生技術(shù)與膜過(guò)濾凈水技術(shù)相結(jié)合，提高太陽(yáng)能熱淡化的產(chǎn)水率。具體來(lái)說(shuō)，界面太陽(yáng)能加熱產(chǎn)生的高溫高壓蒸汽推動(dòng)水分子通過(guò)RO/NF膜，實(shí)現(xiàn)與離子的分離。與傳統(tǒng)的太陽(yáng)能蒸汽冷凝法相比，太陽(yáng)能蒸汽驅(qū)動(dòng)(SSD)RO/NF法避免了水分子的直接蒸發(fā)，極大地降低了分離所需的能量(圖1a)。根據(jù)所建立的理論模型，SSD-RO法的理論產(chǎn)水速率比單級(jí)太陽(yáng)蒸汽冷凝法高出兩個(gè)數(shù)量級(jí)，與光伏驅(qū)動(dòng)的RO (PV-RO)理論產(chǎn)水速率相當(dāng)甚至更大 (圖1b,c)。通過(guò)設(shè)計(jì)和優(yōu)化SSD-RO設(shè)備的材料、光學(xué)、熱和結(jié)構(gòu)，作者在12個(gè)太陽(yáng)光照下實(shí)現(xiàn)了高達(dá)81 kg m^?2 h^?1的實(shí)驗(yàn)。這項(xiàng)工作有望為高通量太陽(yáng)能熱脫鹽提供一種新的策略。

SSD-RO/NF裝置的設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)如圖2所示。該SSD-RO/NF裝置主要由增壓腔、壓力傳感活塞、海水腔、淡水腔和汽缸組成。高溫高壓蒸汽是在升壓腔內(nèi)通過(guò)界面太陽(yáng)能加熱產(chǎn)生的。然后，蒸汽推動(dòng)下面的活塞和海水通過(guò)RO/NF膜，完成水的過(guò)濾。根據(jù)理論計(jì)算，裝置的保溫性能決定了蒸汽的溫度和壓力，蒸汽的溫度和壓力又決定了SSD-RO/NF裝置的產(chǎn)水速率。因此，作者對(duì)SSD-RO/NF裝置的保溫進(jìn)行了精心的設(shè)計(jì)和優(yōu)化。其中，升壓腔與海水腔側(cè)壁夾層之間的真空對(duì)熱傳導(dǎo)和對(duì)流有明顯的抑制作用。夾層之間的真空被抽到小于5pa使熱導(dǎo)率小于0.003 W m^?1 K^?1。升壓腔內(nèi)壁貼覆導(dǎo)熱系數(shù)為0.012 W m^?1 K^?1的防水SiO₂納米氣凝膠氈，進(jìn)一步抑制熱損失。頂部的透明玻璃被做成雙層結(jié)構(gòu)，兩層玻璃之間有真空(< 5pa)來(lái)抑制熱量傳遞。在機(jī)械支撐的前提下，選擇導(dǎo)熱系數(shù)低的尼龍作為壓敏活塞。

數(shù)值計(jì)算還表明，蒸汽在增壓腔內(nèi)的膨脹比是影響SSD-RO/NF裝置產(chǎn)水率的重要因素。膨脹比與水過(guò)濾時(shí)蒸汽內(nèi)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的量有關(guān)?？紤]到裝置的體積和RO/NF膜的最低啟動(dòng)壓力，作者得到的最大蒸汽膨脹比為8。最后，為了防止蒸發(fā)過(guò)程中小液滴的凝結(jié)影響透光率，對(duì)透明玻璃內(nèi)壁進(jìn)行了O₂等離子體處理，使其表面超親水。

圖3 SSDRO/NF裝置太陽(yáng)能蒸發(fā)器的設(shè)計(jì)與特性

圖4 SSD-RO/NF設(shè)備性能

圖5 SSD-RO器件性能分析與仿真

為保證界面太陽(yáng)能加熱在封閉的增壓器腔內(nèi)產(chǎn)生高溫高壓蒸汽，除了設(shè)備優(yōu)良的隔熱SSD-RO/NF外，太陽(yáng)能蒸發(fā)器還應(yīng)在高溫和高壓下提供穩(wěn)定高效的蒸汽，為了獲得這種獨(dú)特的蒸發(fā)器，除了光學(xué)設(shè)計(jì)和供水的一般考慮外，還必須仔細(xì)定制耐高溫/耐壓和熱定位的結(jié)構(gòu)。作者開(kāi)發(fā)了一種蒸發(fā)器，由頂部太陽(yáng)能吸收體和底部隔熱體組成(圖3a)。頂部太陽(yáng)能吸收體作為蒸發(fā)器的關(guān)鍵部件，需要有微米大小的孔隙，用于蒸汽的逃逸，高效的太陽(yáng)能吸收，供水和耐高溫/高壓。因此，由于泡沫碳的多孔結(jié)構(gòu)和耐高溫/高壓性能，被選擇作為太陽(yáng)能吸收器制造的初始基板。為了增強(qiáng)親水性和太陽(yáng)吸收率，在碳泡沫的原表面涂覆了多壁碳納米管(CNTs)。

為了進(jìn)一步驗(yàn)證其在實(shí)際應(yīng)用中的性能，作者在南京進(jìn)行了室外實(shí)驗(yàn)。使用菲涅耳透鏡將陽(yáng)光集中到設(shè)備上。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中太陽(yáng)輻照量由氣象站實(shí)時(shí)記錄。2022年7月1日，當(dāng)自然陽(yáng)光集中到16個(gè)太陽(yáng)光強(qiáng)度時(shí)，SSD-RO裝置產(chǎn)生的壓力為1.1 MPa，產(chǎn)水率為144.55 kg m^?2 h^?1。2022年6月21日，當(dāng)SSD-NF裝置在集中12個(gè)太陽(yáng)光強(qiáng)度下產(chǎn)生0.7 MPa的壓力時(shí)，產(chǎn)水率達(dá)到245.07 kg m^?2 h^?1。SSD-RO和SSD-NF器件的Na⁺抑制率分別為99.5%和72%。進(jìn)料溶液中的NaCl濃度為10,000 ppm。實(shí)驗(yàn)室級(jí)SSD-RO海水淡化系統(tǒng)的水生產(chǎn)成本使用生命周期成本法估計(jì)約為11.79美元/噸。

總結(jié)展望

綜上所述，作者成功地開(kāi)發(fā)了一種用于水凈化的SSD-RO/NF裝置。經(jīng)過(guò)精心的設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)，SSD-RO裝置在12個(gè)太陽(yáng)光照下的產(chǎn)水速率可達(dá)81 kg m^?2 h^?1，遠(yuǎn)高于以往的被動(dòng)太陽(yáng)蒸汽蒸發(fā)和冷凝工作。未來(lái)的器件可以通過(guò)更好的保溫設(shè)計(jì)和更合理的膨脹比來(lái)實(shí)現(xiàn)更高的產(chǎn)水速率。作者還相信，這一策略可以提高太陽(yáng)能熱脫鹽裝置的分散經(jīng)濟(jì)可行性和可靠性，并為全球水-能源關(guān)系做出堅(jiān)實(shí)的貢獻(xiàn)。

文獻(xiàn)信息

Solar steam-driven membrane filtration for high flux water purification. (Nat. Water 2023, DOI: 10.1038/s44221-023-00059-8)

https://www.nature.com/articles/s44221-023-00059-8

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