加州大學圣地亞哥分校陳仁坤教授Adv.?Energy Mater.: 內嵌聚電解質碳基多孔蒸發器零結晶鹽連續太陽能海水淡化

引言

近年來，太陽能海水淡化成為能源領域研究熱點。雖然目前蒸發器光熱轉換效率已接近90%，但是傳統的蒸發器通常采用微米級多孔結構進行毛細蒸發，而毛細多孔結構容易被結晶鹽堵塞，同時海水蒸發后容易在在蒸發器表面形成結晶鹽從而降低太陽光譜吸收率，因此當前蒸發器需要定時清理或只能在低鹽濃度、低光強條件下運行以保證結晶鹽能及時溶解并擴散回海水中。由此可見，如何實現有效補水同時防止鹽離子進入蒸發結構是連續、高效太陽能海水淡化技術的瓶頸。

成果簡介

近日，加州大學圣地亞哥分校陳仁坤教授團隊在Advanced Energy Materials上報道了內嵌聚電解質水凝膠的多孔碳基蒸發器用于長期、連續、高效的太陽能海水淡化。與傳統毛細壓力驅動的蒸發器不同，該蒸發器利用聚電解質水凝膠的滲透壓力實現高效補水，同時聚電解質具有高離子強度，因此大部分（> 80%）鹽離子被阻擋在海水/膜界面。實驗表明，該蒸發器最高提供24 LMH補水效率，相當于15 suns條件下的蒸發率。在使用海水和1 sun的條件下，該蒸發器實現1.3 LMH蒸發率，并且在連續穩定運行超過288小時后仍未在其多孔結構及表面發現結晶鹽。該蒸發器表現的高滲透壓和高除鹽率不僅解決了傳統毛細壓力驅動海水淡化的液體補充和鹽分聚積問題，還適用于其他需要高流量、高除鹽率的膜分離場合。

圖文導讀

圖1.

(a) 蒸發速率測試裝置。(b) 聚電解質驅動液體補充和除鹽原理。(c) 聚電解質碳基多孔蒸發器微觀結構表征。(d) 蒸發器太陽光譜吸收率大于97%。(e) 聚電解質FTIR表征。

圖2. 聚電解質蒸發器補水效率和除鹽率表征。

(a) 聚電解質滲透壓大于240 atm。(b) 聚電解質吸水率大于24 LMH。(c) 聚電解質除鹽率大于80%。(d) 傳熱模型。

圖3.

(a)和(b) 采用去離子水條件下的蒸發率。1?sun條件下蒸發率約為1.6 LMH，3?suns條件下蒸發率約為4.6 LMH。(c)和(d) 采用3.6 wt.%?NaCl溶液條件下的蒸發率。1?sun條件下蒸發率為1.24 LMH。(e) 無內嵌聚電解質條件下，采用鹽溶液蒸發后毛細孔被結晶鹽堵塞。(f) 蒸發過程中的表面溫度。

圖4.

(a) 內嵌聚電解質后，在采用鹽溶液和2?suns條件下，蒸發率穩定在2.4 LMH左右；無內嵌聚電解質時，蒸發率僅為1.7 LMH，6小時后下降至1.1 LMH。(b) 無內嵌聚電解質時，蒸發器表面有結晶鹽沉淀。(c) 內嵌聚電解質蒸發器在2?suns條件下連續穩定運作72小時并(d) 在戶外條件下連續穩定運行6天。

圖5.

對比傳統基于毛細驅動的蒸發器，本文采用滲透壓驅動和除鹽，穩定運行時間更長（連續光照，無結晶鹽沉淀）。

圖6.

(a) 采用海水和1?sun連續照射條件下（24小時連續照射），聚電解質碳基蒸發器穩定運行超過12天（288小時）。(b) 表面無結晶鹽沉淀。(c) 表面溫度。

總結

本文提出一種新型的滲透壓驅動方式用于連續、穩定、高效的太陽能海水淡化。與傳統毛細壓力驅動不同，該蒸發器驅動壓力不受限于孔徑大小。聚電解質具有高滲透壓 (240 atm)，因此能夠提供高吸水率.同時其具有高離子強度，因此還有高除鹽率，因此，該新型蒸發器在連續高效蒸發情況下，實現零結晶鹽沉淀。滲透壓驅動為連續穩定太陽能海水淡化提供新的技術方法，并適用于其他具有高驅動壓力和抗污能力要求的場合。

文獻鏈接:??Osmotic Pumping and Salt Rejection by Polyelectrolyte Hydrogel for Continuous Solar Desalination

DOI: doi.org/10.1002/aenm.201900552

本文由加州大學圣地亞哥分校陳仁坤教授課題組供稿。

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