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研究背景

近年來，隨著人口的增長和工業化的興起，淡水資源變得非常稀缺。21世紀將是水的世紀。20世紀初，國際上就有“19 世紀爭煤、20世紀爭石油、21世紀爭水”的說法。第47屆聯合國大會更是將每年的3月22日定為”世界水日”，號召世界各國對全球普遍存在的淡水資源緊缺問題引起高度警覺。

從全球范圍來看，根據聯合國統計，全球淡水消耗量比20世紀初以來增加了約6－7倍，比人口增長速度高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。如果不采取節水措施，2050 年全球淡水需求量將增長兩倍，給淡水供應帶來極大壓力。海水淡化是當今世界競相研究的高新技術，美、法、日、以色列等國的技術已經非常發達，而且已形成海水淡化產業。

太陽能驅動的海水淡化，特別是界面太陽能蒸汽產生，顯著提高了蒸發效率，提供了一個有前景的途徑，以最小的環境影響緩解水危機。先進的界面太陽能加熱技術節能90%以上，應用前景廣闊。然而，蒸發需要克服水的蒸發焓(在2,455.6 kJ kg^{– 1}左右)，這大大限制了太陽能對淡水的輸出。

通常，單級太陽能蒸餾器在1個太陽光照下的理論水蒸發速率約為1.47 kg m^?2 h^?1。雖然已經開發了一些技術，如多級蒸發和低壓蒸發，以進一步提高產水率，但水的蒸發焓仍然相當大(例如，在1個太陽光照下，10級蒸發的產水率為2.94 kg m^?2 h^?1)。相反，反滲透(RO)/納濾(NF)通過分離膜實現離子和水分子的分離，其理論熱力學能較低。熱力學恒壓反滲透過濾過程在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，實際消耗的能量為~1.8 kWh m^?3 (6.48 kJ kg^?1)，接近熱力學極限。

成果簡介

近年來，界面太陽能蒸汽產生在海水淡化方面顯示出巨大的潛力，具有較高的太陽能-蒸汽轉換效率。然而，淡水產量仍然受到大量的水蒸發潛熱和冷凝效率的限制。近日，南京大學朱嘉教授和南京航空航天大學李秀強教授等人設計了一種界面太陽能蒸汽驅動的反滲透/納濾裝置，該裝置產生高壓，推動水分子通過過濾膜，以實現與離子的分離。

太陽能蒸汽驅動的反滲透裝置在12個太陽光照下的產水率高達81 kg m^?2 h^?1。此外，理論模型表明，通過優化裝置的保溫和膨脹比，仍有進一步提高淡水產量的可觀空間。這項工作為設計高效的小型化或分散式飲用水裝置開辟了新途徑。這項工作以“Solar steam-driven membrane filtration for high flux water purification”為題發表在國際頂級期刊《Nature Water》上。

圖文導讀

圖1. SSD-RO/NF系統的原理圖和理論產水率

圖2. SSD-RO/NF裝置的設計與搭建

本文首先將界面太陽能蒸汽發生技術與膜過濾凈水技術相結合，提高太陽能熱淡化的產水率。具體來說，界面太陽能加熱產生的高溫高壓蒸汽推動水分子通過RO/NF膜，實現與離子的分離。與傳統的太陽能蒸汽冷凝法相比，太陽能蒸汽驅動(SSD)RO/NF法避免了水分子的直接蒸發，極大地降低了分離所需的能量(圖1a)。

根據所建立的理論模型，SSD-RO法的理論產水速率比單級太陽蒸汽冷凝法高出兩個數量級，與光伏驅動的RO (PV-RO)理論產水速率相當甚至更大 (圖1b,c)。通過設計和優化SSD-RO設備的材料、光學、熱和結構，作者在12個太陽光照下實現了高達81 kg m^?2 h^?1的實驗。這項工作有望為高通量太陽能熱脫鹽提供一種新的策略。

SSD-RO/NF裝置的設計和結構如圖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通過界面太陽能加熱產生的。然后，蒸汽推動下面的活塞和海水通過RO/NF膜，完成水的過濾。根據理論計算，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裝置的產水速率。因此，作者對SSD-RO/NF裝置的保溫進行了精心的設計和優化。

其中，升壓腔與海水腔側壁夾層之間的真空對熱傳導和對流有明顯的抑制作用。夾層之間的真空被抽到小于5pa使熱導率小于0.003 W m^?1 K^?1。升壓腔內壁貼覆導熱系數為0.012 W m^?1 K^?1的防水SiO₂納米氣凝膠氈，進一步抑制熱損失。頂部的透明玻璃被做成雙層結構，兩層玻璃之間有真空(< 5pa)來抑制熱量傳遞。在機械支撐的前提下，選擇導熱系數低的尼龍作為壓敏活塞。

數值計算還表明，蒸汽在增壓腔內的膨脹比是影響SSD-RO/NF裝置產水率的重要因素。膨脹比與水過濾時蒸汽內能轉化為機械能的量有關。考慮到裝置的體積和RO/NF膜的最低啟動壓力，作者得到的最大蒸汽膨脹比為8。最后，為了防止蒸發過程中小液滴的凝結影響透光率，對透明玻璃內壁進行了O₂等離子體處理，使其表面超親水。

圖3. SSDRO/NF裝置太陽能蒸發器的設計與特性

圖4. SSD-RO/NF設備性能

圖5. SSD-RO器件性能分析與仿真

為保證界面太陽能加熱在封閉的增壓器腔內產生高溫高壓蒸汽，除了設備優良的隔熱SSD-RO/NF外，太陽能蒸發器還應在高溫和高壓下提供穩定高效的蒸汽，為了獲得這種獨特的蒸發器，除了光學設計和供水的一般考慮外，還必須仔細定制耐高溫/耐壓和熱定位的結構。作者開發了一種蒸發器，由頂部太陽能吸收體和底部隔熱體組成(圖3a)。

頂部太陽能吸收體作為蒸發器的關鍵部件，需要有微米大小的孔隙，用于蒸汽的逃逸，高效的太陽能吸收，供水和耐高溫/高壓。因此，由于泡沫碳的多孔結構和耐高溫/高壓性能，被選擇作為太陽能吸收器制造的初始基板。為了增強親水性和太陽吸收率，在碳泡沫的原表面涂覆了多壁碳納米管(CNTs)。

為了進一步驗證其在實際應用中的性能，作者在南京進行了室外實驗。使用菲涅耳透鏡將陽光集中到設備上。實驗過程中太陽輻照量由氣象站實時記錄。2022年7月1日，當自然陽光集中到16個太陽光強度時，SSD-RO裝置產生的壓力為1.1 MPa，產水率為144.55 kg m^?2 h^?1。

2022年6月21日，當SSD-NF裝置在集中12個太陽光強度下產生0.7 MPa的壓力時，產水率達到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%。進料溶液中的NaCl濃度為10,000 ppm。實驗室級SSD-RO海水淡化系統的水生產成本使用生命周期成本法估計約為11.79美元/噸。

總結展望

綜上所述，作者成功地開發了一種用于水凈化的SSD-RO/NF裝置。經過精心的設計和實驗，SSD-RO裝置在12個太陽光照下的產水速率可達81 kg m^?2 h^?1，遠高于以往的被動太陽蒸汽蒸發和冷凝工作。未來的器件可以通過更好的保溫設計和更合理的膨脹比來實現更高的產水速率。作者還相信，這一策略可以提高太陽能熱脫鹽裝置的分散經濟可行性和可靠性，并為全球水-能源關系做出堅實的貢獻。

文獻信息

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

原創文章，作者：Gloria，如若轉載，請注明來源華算科技，注明出處：http://www.zzhhcy.com/index.php/2023/10/08/ef53ccb470/

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